记忆的“守护神”

刘　露

当前，许多研究人员试图编写计算机代码，以此来模拟大脑的功能，他们使用大量有强大处理能力的机器，但也仅能模拟大脑很小的部分。一种新的电路元件的出现，让科学家能够用一种不同于编写计算机程序的方式来模拟大脑，或模拟大脑的某种功能，构造出具有仿生功能的硬件。这种元件就是充满了科技传奇色彩的忆阻器。

早在1971年，加州大学伯克利分校华裔科学家蔡少棠就发表了题为《忆阻器：下落不明的电路元件》的论文，从理论上预测出自然界存在除电阻器、电容器和电感器之外的第四种电路元件，并称之为忆阻器。简单地说，忆阻器是一种有记忆能力的非线性电阻，可通过电流的变化控制其阻值的变化，如果将忆阻器的高阻值和低阻值分别定义为1和0，就可以通过二进制的方式来存储数据，即使电流中断记忆也不会消失。不过，受到当时技术条件的限制，蔡少棠教授在提出论文后，并没有继续对忆阻器的研究。

37年过去了，2008年5月1日，由世界著名科学家、惠普实验室斯坦·威廉姆斯领导的研究小组，在《自然》杂志以《寻获下落不明的《忆阻器》为标题发表论文，首次证实忆阻器确实存在。而且威廉姆斯小组像制作三明治一样将一层纳米级的二氧化钛半导体薄膜夹在由铂制成的两个金属薄片之间，从而成功设计出世界首个能工作的忆阻器原型。这些材料都是标准材料，其组成部分只有5纳米大小，也就是说仅相当于人的一根头发丝的一万分之一那么细。这一成果不仅使得蔡少棠本人大吃一惊，更将对电子科学的发展历程产生重大影响。

忆阻器的发现足以媲美100年前三极管的发明，它具有巨大的潜力，能够使一些关键的电子技术在将来成为可能。它是一个新的电路元件，并且已展示出了许多令人期待的、新颖的特性，这些特性是之前设计工程师们都未曾见过的。与现在广泛使用的动态随机存储器和闪存相比，忆阻器能量消耗更低。与此同时，材料的忆阻特征，在纳米水平上才有明显表现，这就意味着忆阻器适用于更加密集的电路元件构造，在同样大小的电路尺寸上能存储更多的数据。过去需要多个晶体管才能完成的工作，现在只需一个忆阻器就能胜任。晶体管和忆阻器的集成混合电路，具有动摇整个电子工业硬件行业的潜力。

而且，用忆阻电路制造出的计算机将能“记忆”先前处理的事情，并在断电后“冻结”这种“记忆”。今天的电脑广泛使用动态随机存储器作为内存，这种技术的最大问题是，当用户关闭Pc电源时，内存就“忘记”了曾使用过的数据，下次打开计算机电源，用户必须等待所有需要运行的数据全部从硬盘中重新装载入内存后才能使用。这个过程有时长这几分钟。而采用忆阻电路的非易失性阻抗存储器(RRAM)，在断电后仍然能够保存数据。有了RRAM，电脑会在开机的一瞬间回到上次关机前的状态。这将使计算机可以反复立即开关，因为所有组件都不必经过“导入”过程就能即刻回复到最近的结束状态。

一旦RRAM得到应用，手机可以使用数周或更久的时间而不需充电，笔记本电脑可以在电池耗尽之后很久仍记忆上次使用的信息，数码相机、MP3和掌上电子设备也会带来全新功能。

最重要的是，忆阻器可以记忆流经它的电荷数量。而且这种记忆不是1和0这么简单，它可以包括从1到0之间所有的状态。这类似于人类大脑搜集、理解一系列事情的模式。因此采用忆阻嚣技术的计算机系统可以拥有像人类一样的记忆与联想模式。这些功能能够使有学习能力的电气用具和有决策能力的计算机成为可能。这样的计算机可以做许多数字式计算机不太擅长的事情，例如图形识别等。而且，计算机将不仅能够用软件来学习，也可以用硬件来学习。毫无疑问，忆阻器的发现震撼了整个世界，它将在未来改变我们对计算机和存储的概念。

责任编辑赵新宇