美國科學家宣布電子電路存在第四種基本元件——記憶電阻（簡稱憶阻）。
介紹,人工智慧,柔性技術,
介紹
在1971年，非線性電路理論先驅、美國加利福尼亞大學伯克利分校的華裔科學家蔡少堂就從理論上預言，除電容、電感和電阻之外，電子電路還應該存在第四種基本元件——憶阻。實際上，憶阻是一種具有記憶功能的非線性電阻，可通過電流的變化控制其阻值的變化，如果將憶阻的高阻值和低阻值分別定義為1和0，就可以通過二進制的方式來存儲數據。
如今，美國惠普公司實驗室的斯坦·威廉斯和同事在進行極小型電路實驗時終於製造出憶阻的實物模型。威廉斯等人在新一期英國《自然》雜誌上撰文說，他們像製作三明治一樣將一層納米級的二氧化鈦半導體薄膜夾在由鉑製成的兩個金屬薄片之間。這些材料都是標準材料，製作憶阻的竅門是使其組成部分只有5納米大小，也就是說僅相當於人的一根頭髮絲的1萬分之一那么細。
科學家指出，只有在納米尺度上，憶阻的工作狀態才可以被察覺到。他們希望這種新元件能夠給計算機的製造和運行方式帶來革命性變革。科學家說，用憶阻電路製造出的計算機將能“記憶”先前處理的事情，並在斷電後“凍結”這種“記憶”。這將使計算機可以反覆立即開關，因為所有組件都不必經過“導入”過程就能即刻回復到最近的結束狀態。
人工智慧
有過缺少點什麼的感覺嗎？如果有，你可不缺伴。1869年，門捷列夫注意到他的元素周期表中有4個空格時也有這種感覺。結果證明它們是當時還沒發現的元素----鈧、鎵、鍺和鎝。1929年，狄拉克在深入研究他寫出來用來描述電子的量子力學方程時也是如此。除了電子，他發現還有一些看起來像電子，但又不同的東西。只有到了1932年，人們在宇宙射線中找到了電子的反物質姐妹----正電子時，才發現這種東西的確存在。
1971年，Leon Chua也有過那種感覺。當時他還是加州大學伯克利分校的一位年輕電子工程師，對數學充滿興趣，他被電子學缺乏嚴格的數學基礎這一事實所吸引。於是，像其他勤奮的科學家一樣，他開始試著自己去推導一個。
但是它們的確是存在的。在最近幾年，記憶電阻器已從晦澀的術語演變成物理學中最熱門的一個特性。它們不僅已經被製造出來，而且它們獨一無二的本領可能會給消費電子帶來革命性的變化。更重要的是，它們在完善電子學的同時，也許還可以解決一大謎題，即大自然如何創造出最精妙最強大的計算機--大腦。
對於一個純邏輯在開始時取得了勝利的故事，這也算得上是一個合適的高潮吧。早在1971年，Chua考察了確定一個電路的四個基本參數。第一個是電荷。然後是隨時間而變化的電荷，就是我們更熟悉的電流。電流產生磁場，引出了第三個變數----磁通量，它刻畫了磁場的強度。最後，磁通量隨時間變化，產生了我們稱之為電壓的參數。
從數學角度來說，4種東西互連在一起可以有6種關聯方式。電荷與電流，以及磁通量與電壓，通過它們的定義關聯在一起。這是兩種。還有三種聯繫與三種傳統電路元件有關。電阻是電流流過時能產生電壓的元件。對於一個給定的電壓，電容會儲存一定量的電荷。讓電流通過電感器，就會產生磁通量。這樣就有5個了。少了點什麼？
的確如此。連線電荷和磁通量的元件哪兒去了？簡短的回答是不存在。但是應該是有的。
Chua著手探索這樣一個元件會有怎樣的功能。那是用電阻、電容和電感器組合不出來的一種元件元件。因為移動的電荷會產生電流，變化的磁通量會產生電壓，新的設備會像電阻一樣從電流中產生電壓，不過產生的方式更複雜更動態。事實上，據Chua推斷，它工作起來會像一個能“記住”先前有多大的電流從上面流過的電阻（如圖）。記憶電阻器就這樣誕生了。
不過，它被迅速地遺棄了。雖然它在理論上很受歡迎，但是似乎沒有一種物理器件和材料能產生這種“帶記憶的電阻器”的效果。從那時起，Chua就一直忙於電子學基礎理論方面的工作，但是就連他自己也沒對他的“寶貝”抱多高的希望。“我從沒想過在我的有生之年能看到這樣一個的器件，”他說。
他忽略了加州帕洛阿爾托市惠普實驗室的一位高級研究員Stan Williams。在21世紀初，Williams和他的小組在構想，能不能用如下方式製造一個低功率快速開關：將兩個微小的二氧化鈦電阻摞在一起，利用一個電阻中的電流，以某種方式控制另一個電阻的開與關。
納米尺度下的新穎性
他們發現他們可以製造出這樣的開關，但是不同開關中的電阻表現出的特性用傳統模型無法預測。Williams被難住了。這樣過了三年；一次偶然的機會，他的一個同事提醒他關注一下Chua的研究成果，這樣才得到了啟發。“我意識到，我寫下來描述我們的設備的那些方程，和Chua的非常相似。”Williams說。“然後一切都順理成章了。”
在Williams的開關中，上層電阻是由純半導體製造的，而下層是由缺失氧原子的金屬製造的。在開關上施加電壓，金屬中帶電的空穴會向上移動，這樣從根本上降低了半導體的電阻，將它變成了完全的導體。施加反方向的電壓，情況會向另一個方向變化：空穴反過來滲回下層，上層就會變成高電阻的半導體狀態。
關鍵是，每次切斷電壓時，系統就停止轉動，電阻狀態被凍結。但重新接通電壓後，系統會“記得”之前它在哪裡，並從相同的電阻狀態中醒轉（Nature, vol 453, p 80）。Williams意外地造出了一個Chua描述過的記憶電阻器。
Williams也可以解釋為什麼以前從來沒有人見過記憶電阻器。因為這種效果有賴於原子級的運動，只有在Williams的器件這種納米尺度下才會突然表現出來。他說：“它在毫米尺度下，基本上是無法觀察到的”。
不管是不是具有納米尺寸，人們很快明白了記憶電阻器可以有多大用處。據Williams說：只用幾微微焦耳的能量，就能在幾納秒內，以記憶電阻器的電阻狀態將信息寫進材料中----“要有多好就有多好。“ 而且數據一旦寫入，即使切斷電源，記憶性記憶體仍然保持寫入時的狀態。
記憶體模組
這是一個啟示。50年來，電子工程師一直在建造由數十個電晶體----記憶體晶片的構建模組----組成的網路來儲存每位元組的信息，卻不知道他們試圖模擬的正是記憶電阻。現在，Williams站在Chua的肩膀上，表明了他們需要的只不過是一個極小的元件。
它最直接的潛在用途是作為快閃記憶體的強大代替品----就是套用在相機和usb記憶體棒中的那種，要求具有快速寫入和重寫能力。像快閃記憶體一樣，記憶電阻記憶體也只能被改寫10000次左右，然後器件中頻繁的原子移動會損壞它。這使它不適合用作電腦的記憶體。但是，Williams 還是相信將來也許可以改進記憶電阻器的耐用性。他說，到那個時候，它們剛好可以用來製造超快隨機儲存器（RAM)----電腦用來儲存動態數據的工作記憶體，而且最終甚至可能用於硬碟驅動器。
如果這篇文章只是關於電子學中一項常規的突破，那也沒什麼好說的了。單單是更好的儲存材料並不能讓我們激動不已。如今我們都已經將越來越敏捷的消費電子產品當成了自己的基本權利，因而對使之成為可能的基礎物理學進展出奇地冷漠。記憶電阻器都有什麼不一樣的地方呢？
要解釋清楚這一點，得戲劇性地將場景變換到粘糊的多頭絨泡菌（Physarum polycephalum）世界。保守地說，這種大型軟膠質單細胞有機體是一些擁有驚人智慧型的傢伙。它可以感知周圍環境並對它作出反應，而且甚至還能解決簡單的謎題。不過，它最不同凡響的技能，是去年由位於日本札幌的北海道大學的Tetsu Saisuga及其同事報告的：它可以對周期活動進行預期。
我們所知道的情況是這樣的。多頭絨泡菌能通過傳遞一種水樣物質四處移動----這種物質因為其內部具有黏性和呈凝膠狀而被稱為溶膠（sol）----可以讓它往某個特定方向伸展。在室溫下，這種黏菌以極慢的速度移動，每小時大約移動1厘米，但是你可以通過向它吹送一股暖濕空氣來加速它的移動。
你也可以用乾冷的微風減慢它的速度，日本研究人員採用的正是這種方法。他們讓菌體在冷空氣中暴露10分鐘，然後再讓它重新暖和一段時間，如此反覆三遍。毫無疑問，黏菌隨溫度改變而適時地減慢或加快移動速度。
但是接下來他們改變了規則。他們沒有向多頭絨泡菌吹第四股冷風，而是什麼都不做。黏菌的反應很令人注目：它一邊期盼著那股一直沒有到來的冷氣，一邊再次慢了下來(Physical Review Letters, vol 100, p 018101)。
值得我們花點時間來想一下這意味著什麼。不知怎的，這些單細胞生物能記住了它經歷過的事件模式，並且會通過改變它的行為來期盼一個未來的事件。這種事對我們人類來說也是夠麻煩的，更別說對一個沒有屬於自己的神經元的單細胞生物了。
這份日本報紙引起了加州大學聖地亞哥分校的物理學家Maz Di Ventra的注意。認同Chua的工作成果的人為數不多，他是其中之一。他意識到黏菌的像工作方式跟記憶電阻電路一樣。為證明他的論點，他和他的同事動手搭建了一個可以像黏菌一樣工作的電路，能夠學習並預測未來的信號。
結果這種模擬電路很容易獲得。電路外加電壓的改變模擬了黏菌環境溫度和濕度的改變，而記憶電阻元件兩端的電壓則代表了黏菌的移動速度。以正確的方式搭好電路，記憶電阻的電壓可以隨著任意外部電壓脈衝序列的節奏變化。經過一個由三個等間距電壓脈衝組成的序列的“訓練”後，在隨後的脈衝沒有出現的情況下，記憶電阻的電壓重複了它的回響。
Di Ventra推測黏菌溶膠與凝膠成分的黏度，構成了對記憶電阻的一種機械模擬。當外部溫度提高時，凝膠成分開始分解並變得不那么粘，這樣就創造了一個溶膠可以流過的通道，並加速了細胞的移動。降低溫度則逆轉了這一過程，但是怎樣恢復初始狀態取決於通道在哪裡形成，因此取決於細胞的內部歷史。
以真正的記憶電阻方式，Chua也預期過這樣的思想：記憶電阻也許可以揭示生物有機體是如何進行學習的。在完成關於記憶電阻器的第一篇論文時，他對神經突觸入了迷----突觸是較高級生物中神經衝動一定要經過的神經細胞間的間隔。特別地，他注意到它們對穿過每個細胞膜的鉀離子和鈉離子的漲落所作的複雜電反應，這些反應可以讓神經突觸根據信號頻率和強弱的改變而作出回響。它看起來跟記憶電阻器產生的回響令人發狂地相似。“接著我意識到神經突觸就是記憶電阻器，”他說：“這種離子通道正是我一直在尋找的缺失的電路元件，它的確存在於大自然中。”
對Chua來說，所有一切都指向一個令人難以接受的事實。儘管經過了多年的努力，建造電子智慧型以模仿大腦那令人敬畏的能力方面的嘗試，一直沒有取得什麼成功。那也許僅僅是因為缺少了關鍵的電子元件----記憶電阻器。
那么，現在我們已經找到了它，是不是說人工智慧的新紀元也許即將來臨了呢？國防高級研究項目署（DARPA）的確這樣認為。DARPA是美國國防部的一個部門，具有支持網際網路之類高風險高回報項目的光榮歷史。去年四月，它宣布了神經形態自適應具有可塑性的可伸縮電子系統計畫（縮寫為：SyNAPSE)，用來發展“可擴展到生物層次的電子神經形態機器技術”。
我，記憶電阻器
來自惠普公司的Williams小組積極地參與了這個計畫。去年年底，在美國能源部一家名叫“SciDAC評論”的不起眼期刊上，他的同事Greg Snider發表了如何組裝一個基於記憶電阻的晶片，以便測試更複雜的神經突觸模型。他指出人類大腦皮層神經突觸的密度為1010個每平方厘米，而現在的微處理器只能達到這個密度的十分之一。他說：“這就是為什麼人工智慧的機器還沒有在大街上走來走去的一個重要原因。”
Snider的夢想在於一個被他稱作“皮質計算”的領域----駕馭記憶電阻器提供的種種可能來模擬大腦神經元如何互動。這是一個全新的思想。Williams說：“人們把這種網路跟神經網路弄混淆了。”但是神經網路----那是此前製造人工大腦的最大希望----是在標準計算機硬體中運行的軟體。他說：“我們瞄準的目標實際上是體系結構上的一種改變。”
第一步已經邁出了。Williams和 Snider跟Boston大學的Gail Carpenter和 Stephen組成小組（後者是將神經行為化為微分方程的先驅），來建造電晶體-記憶電阻混合晶片，以複製大腦的思維進程。Di Ventra和他的同事Yuriy Pershin走得更遠，他們製造了一個自稱能像真傢伙一樣運作的記憶電阻神經突觸。
製造電子大腦只是早晚的問題了。Williams說：“我們還在努力研究晶片。” 其中的部分問題在於晶片智慧型度太高——它輸出的不是標準的數字脈衝，而是模擬信號，因此用於測試晶片的標準軟體不適用了。所以，Williams和他的同事不得不開發自己的測試軟體。他說：“所有一切都需要時間。”
同時，Chua也沒有躺在功勞簿上休息。他一直忙於擴展自己的基本電路元件理論，尋思如果把記憶電阻的特性和電容、電感器結合在一起，製成被稱作“記憶電容”和“記憶電感”的複合器件，情況會怎樣？然後如果將這些器件組合在一起又會發生什麼，等等。
"記憶電容可能比記憶電阻更有用，“Chua說：“因為它們沒有電阻值。”至少在理論上，用記憶電容儲存信息可以不消耗絲毫能量（在一定程度上，也反映了信息與能量的某種關係，或者說是一種過渡，就像人類才從能量時代跨入了資訊時代，信息和能量是可以轉化）真是方便極了----不管你想用它們來乾什麼。Williams也同意這種說法。事實上，他們研究小組已經在研究這種東西了，今年早些時候他們製造了記憶電容的第一個樣機，他打算儘快公布這項成果。他說：“我們還沒有完成它的特性描述。”他還說：同時有這么多根本性的突破可以研究，很難決定下一步要乾什麼。可能記憶電阻能幫得上忙。
柔性技術
美國標準技術研究所（NIST）最近宣稱他們發明了一種新的記憶體技術：柔性記憶電阻技術。這是一種新型的記憶電阻技術。這種記憶電阻是由鈦氧化物製成，鈦 氧化物是製作防曬油和牙膏等的常見材料。科學家們用這種氧化物製成柔性透明聚合物薄片，並在上面制出觸點，便可將其用於製造記憶電阻。這種記憶體可以在低 於10v的電壓下工作，而且斷電後也可以保存數據，材料的伸縮壽命是4000次。
NIST的研究小組把用溶膠-凝膠法製備的液態鈦氧化物噴塗在透明薄片上，並在室溫下乾燥，如此得到的產品可以在掉電狀態下將數據保持14天。
上世紀70年代，人們首次提出了記憶電阻的概念，不過直到2008年惠普才開發出了有關的實際產品。記憶電阻可以在沒有電流通過的情況下保存數據，而電阻的阻值會隨著電流數值和電流方向的變化而發生明顯的變化。
正常狀態下，這種電阻的阻值很低，而如果改變電流方向則會出現阻值大幅增加的現象。這樣就可以被套用在記憶體中，用來模擬數位訊號的“0”和“1”。而這種阻值狀態即使長時間掉電也不會發生變化，因此可以隨時通過測量電阻的阻值來得到存儲在其中的信息。NIST發明的記憶電阻技術則可以在掉電狀態下將數據保存14天。
柔性記憶電阻技術可以用於製造柔性晶片，後者用途廣泛，醫學上還可以用於製造心率/血流監視器。
