記憶電阻器:一種新的電子元件

在探尋科學規(guī)律和制造各種先進設(shè)備的道路上，很多理論、設(shè)備開始時總不是那么完美，人類進化的化石證據(jù)、元素周期表、計算機等都是如此。不過，人類的科學事業(yè)正是在創(chuàng)新和完善中不斷發(fā)展的。

青年工程師的猜想

1971年，蔡少棠還是美國加州大學克利伯分校的一位名不見經(jīng)傳的電子工程師。他自小對數(shù)學有濃厚的興趣，喜歡對電子元器件理論進行數(shù)學推導。在他的筆記本里，布滿了一個個數(shù)學等式。這些等式中，從變壓器到輸電線路，從晶體管到電容器，都成了一串串數(shù)學符號。

電子產(chǎn)品是由電阻器、電容器和電感器組合聯(lián)接而成的。蔡少棠研究電路的四個基本參數(shù)中第一個就是電荷。電荷隨時間發(fā)生改變就是電流，電流流經(jīng)導體會產(chǎn)生磁場，這就產(chǎn)生了第三個變量：磁通量，它表示磁場的強弱。磁通量隨時間的改變，便產(chǎn)生了電壓。從數(shù)學的角度分析，4個相互關(guān)聯(lián)的變量可以用6種方式聯(lián)系起來：電荷與電量、磁通量與電壓，還有3種分別與3種傳統(tǒng)電路元件有關(guān)：電阻器的工作原理是通過電流產(chǎn)生電壓，電容器是給它定量的電壓儲存一定的電量，電流通過電感器產(chǎn)生磁通量。這就構(gòu)成了5種關(guān)聯(lián)方式，那么第6種呢?按蔡少棠的推導，應是電荷與磁通量形成的參數(shù)。但在傳統(tǒng)的電路里，這個物理量沒有了，因為它缺少表現(xiàn)這個物理量的元件，即連接電荷與磁通量的元件。

什么樣的元件能將電荷與磁通量連接起來?蔡少棠冥思苦想，3個傳統(tǒng)元件和它們的任意組合，都不能表現(xiàn)這樣的物理量，應當有一種全新的元件。這種新元件應類似電阻器，能產(chǎn)生電壓，而且運行的方式與電阻器完全不同。經(jīng)過計算，蔡少棠推斷出一個有記憶能力的新元件，它能記住以先前流經(jīng)過它的電流。他大膽地提出了“記憶電阻器”這個新概念，并發(fā)表了論文《憶阻器：下落不明的電路元件》，引起了物理學界的轟動。但限于當時的技術(shù)條件，科學家找不出同時具有阻抗和記憶功能的材料，無法生產(chǎn)出這樣式的元件。因此蔡少棠的“記憶電阻器”在熱鬧了一陣后便“下落不明”了，他也因而轉(zhuǎn)向了其他理論研究。

37年后的解鈴人

37年后的2008年，美國惠普實驗室的高級研究員斯坦·威廉斯在《自然》雜志發(fā)表了一篇論文：《尋獲下落不明的憶阻器》，證明了記憶電阻器是存在的。

斯坦·威廉斯發(fā)現(xiàn)自己的研究項目同前輩蔡少棠的想法不謀而合，同前輩交流后，他獲益匪淺，信心大增，決心研制這種新元件。他與同伴用納米材料做實驗：把兩個二氧化鈦電阻加以重疊，做成反應快、耗能低的開關(guān)，讓通過電阻的電流和另一個電阻中的電流進行轉(zhuǎn)換。經(jīng)過幾年的努力，終于制造出具有記憶功能的憶阻器模型。這種元件將一層納米級的二氧化鈦半導體薄膜夾在兩個由鉑制成的金屬薄片之間，是一只僅一根頭發(fā)絲萬分之一的微型“三明治”，僅有5納米大小，要在電子顯微鏡下方能看清它有結(jié)構(gòu)。

二氧化鈦是一種半導體，當它被加熱時，氧原子從結(jié)構(gòu)中被驅(qū)逐出去，只留下一些“帶電氣泡”使材料有了半導體的性質(zhì)。由于上層電阻是純半導體，下層是缺失氧原子的導體，向開關(guān)施加電壓時，導體中的“帶電氣泡”從下層向上層移動，大大降低了半導體的電阻，使它變成了完美的導體。這時從另一個方向，像“旋轉(zhuǎn)木馬”似的“帶電氣泡”則流向了下層，使上層電阻回復到高電阻的半導體狀態(tài)。當電壓切斷后，“旋轉(zhuǎn)木馬”停止運轉(zhuǎn)，電阻不再發(fā)生變化。但當電壓再次接通時，系統(tǒng)會“記住”之前的物理狀態(tài)，從先前的電阻狀態(tài)中被喚醒。

憶阻器可以記憶流經(jīng)它的電荷數(shù)量，其中的秘密則在于原子級的移動，只有納米材料的元器件才能實現(xiàn)，這也是之前30多年間，科學家無法制造出憶阻器的原因。

廣闊的應用前景

電腦芯片是用晶體管組成的集成電路，它存貯著由字節(jié)構(gòu)成的信息。在憶阻器之前，工程師們卻不知道他們模擬的正是憶阻器的功能。現(xiàn)在看來，只要有記憶電阻器元件，就能頂替集成電路工程師們所做的—切。

憶阻器關(guān)閉電源后仍有記憶數(shù)據(jù)的能力，將挑戰(zhàn)目前普遍使用的閃存。惠普公司用這項新發(fā)現(xiàn)制成的晶片比今日的閃存記憶信息更快，消耗電力更少，占用空間更少。這將會使照相機和U盤儲存量更大、更快速。憶阻器還可讓手機在使用幾周或更久時間后無需充電，這比新型的高性能手機電池更有吸引力。它也可使筆記本電腦在電池電量耗盡或突然斷電后仍能保存信息。但現(xiàn)在的憶阻器讀寫壽命只有一萬次左右，用得再多會因內(nèi)部原子的活動而崩潰，因此它要長壽，才能更實用。

科學家們對這一新生電子元器件充滿著期待，正設(shè)法尋找延長它壽命的途徑。威廉斯相信，只要解決憶阻器的壽命問題，它就可以應用于硬盤。用憶阻器硬件制造的仿人類大腦的計算機的功能也會更強大，“思考”也更靈活，運行程序速度也會是現(xiàn)在的幾千甚至幾百萬倍。憶阻器電路電腦能理解以往搜集數(shù)據(jù)的方式，這類似于人類大腦，在搜索保存的數(shù)據(jù)時將更智能化。例如，根據(jù)以往搜集到的信息，憶阻器電路可以告訴你一臺微波爐加熱不同食物的時間，因為它已記住了以往加熱食物的過程。

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專家們認為，投資憶阻器電路設(shè)計比建造計算機工廠要昂貴得多，而且目前的憶阻器的模型還很原始，也還沒有設(shè)計出制造憶阻器的各種工具。但囿于智能電腦研究進展緩慢，很多投資家和專家很看妤憶阻器這一創(chuàng)新電子器件。研究人員預測，憶阻器電子產(chǎn)品說不定不用5年，就可能投入商業(yè)應用，帶來豐厚的回報。

美國主管科學研究的高級官員表示，憶阻器的發(fā)明是人工智能新紀元即將到來的信號。最近，惠普研究所已與波士頓大學合作，開發(fā)出能復制大腦思維的晶體管、憶阻器混合型芯片。惠普的另一個科學家小組用憶阻器原理研制的人造記憶神經(jīng)突觸，能同真的神經(jīng)突觸一比高低。在實驗演示中，人造記憶神經(jīng)突觸的反應速度、選擇性和兼容性，與真神經(jīng)突觸難分伯仲。

已是資深的老科學家的蔡少棠教授最近提出了他的新觀點：如果把憶阻器的特性和電容器、電感器的特性綜合起來，制造出記憶電容器或記憶電感器，用途將更廣泛。威廉斯研究小組根據(jù)蔡少棠的理論，已經(jīng)研制出第一個記憶電容器樣品。相信記憶電阻器這一科研成果很快就會服務于工作和生活，給人類帶來方便。