忆阻器取代晶体管引全球技术竞赛 中国严重落后(转帖)

忆阻器的英文 Memristor 来自「Memory(记忆)」和「Resistor(电阻)」两个字的合并,从这两个字可以大致推敲出它的功用来。最早提出忆阻器概念的人,是华裔的科学家蔡少棠,当时任教于美国的柏克莱大学。时间是 1971 年,在研究电荷、电流、电压和磁通量之间的关系时,蔡教授推断在电阻、电容和电感器之外,应该还有一种组件,代表着电荷与磁通量之间的关系。这种组件的效果,就是它的电阻会随着通过的电流量而改变,而且就算电流停止了,它的电阻仍然会停留在之前的值,直到接受到反向的电流它才会被推回去。用常见的水管来比喻,电流是通过的水量,而电阻是水管的粗细时,当水从一个方向流过去,水管会随着水流量而越来越粗,这时如果把水流关掉的话,水管的粗细会维持不变;反之当水从相反方向流动时,水管就会越来越细。因为这样的组件会「记住」之前的电流量,因此被称为忆阻器。

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就在忆阻器的机理尚未完全探明时,国外商业竞争已进入白热化阶段了。图为惠普忆阻器研究人员

目前,国内忆阻器研究仍处于“自由探索”阶段,不仅力量分散,而且主要集中于理论层面和计算机仿真。受研究条件所限,真正物理实现尚不多见。

5年前《自然》杂志的一篇论文,让“忆阻器”三个字广为人知。这一被美国加州大学伯克利分校教授蔡少棠于1971年预言存在的第四种基本电路元件,在经历晶体管时代漫长的“下落不明”后,被惠普实验室首先“找到”,轰动了全球电子学界。

然而5年过去了,尽管每年都有关于忆阻器机理和应用的重要进展问世,来自中国的声音却鲜有耳闻。

不久前,蔡少棠应邀到访国防科技大学。这位华裔科学家发出提醒:忆阻器绝不只是一个理论模型,而是“实实在在的”。

“忆阻器带来的变革,将在世界电子科技领域引发一场基础性的影响重大的竞赛。如果再不加以重视,惠普一家公司就足以打败我们。”国防科技大学电子科学与工程学院教授徐晖对记者如是说。

有望续写摩尔定律

越来越多科学家认为,最迟至2020年,见证半导体工业长达半个世纪进化的“摩尔定律”将迎来物理极限大考。石墨烯被认为是替代硅最有前途的材料,但究竟哪种元器件堪当此大任,科学家仍在寻找。

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忆阻器存储发展历程。2011年惠普宣布已经和韩国海力士半导体达成合作研发协议,双方将共同致力于在未来的产品中使用Memristor忆阻器技术。

2012年,美国电气和电子工程协会邀约3位国际知名学者共同撰写了一篇长文《超越摩尔》,其中专章讲述了忆阻器。这引起了中科院计算技术研究所研究员闵应骅的注意,他在科学网上连续发表5篇博文进行译介。

闵应骅告诉记者,未来半导体工业有可能从“硅时代”进入“碳时代”,而忆阻器这种可记忆电流的非线性电阻,凭借其优越的特性,将成为未来极有希望的存储元件。

不只是存储。2010年惠普实验室再次宣布,忆阻器具有布尔逻辑运算的功能,这一发现震动了计算机学界。曾领衔研制“天河”系列超级计算机的国防科技大学科研人员在跟踪调研后认为,“理论上可以通过忆阻器完全替代现在所有的数字逻辑电路”。

“在很大程度上,我同意忆阻器有可能代替晶体管这种说法,其自动记忆能力和状态转换特性,还将推动人工智能和模拟存储的发展。”西南大学电子信息工程学院教授段书凯认为。

与蔡少棠之间的学术渊源,使段书凯成为国内最早开展忆阻器非线性系统研究的学者之一。

华中科技大学微电子学系教授、长江学者缪向水则表示,忆阻器的确具有给微电子领域带来强大变革的能力,但要彻底取代晶体管,目前看来还不太现实。

“还不太现实”的一个重要原因,在于忆阻器的实际应用还有许多技术问题有待研究。不过几乎所有受访者均认为,这正是一个历史机遇,我国研究者应有所作为。

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美国密歇根大学科学家开发出一种由纳米级忆阻器构成的芯片,该芯片能存储1千比特的信息。发表在《纳米快报》(Nano Letters)上的此项研究成果将有可能改变半导体产业,使成功研制出更小、更快、更低廉的芯片或电脑成为可能。

国内外鲜明对比

“就在忆阻器的机理尚未完全探明时,国外商业竞争已进入白热化阶段了。”提及当前国内外研究态势,徐晖表示。

据了解,自惠普忆阻器原型问世以来,国际研究迅速升温,至今已有百余所研究机构参与。不仅英、德、韩等国相继加入,Intel、IBM等工业巨头也在美国军方支持下砸下重金。

2009年,科技部启动国际合作项目“忆阻器材料及其原型器件”,缪向水是项目负责人。他向记者坦承,“国内忆阻器研究目前还处于初始阶段”。

国内学术界在正式场合引介忆阻器大约在2010年。在该年的中国电子学会第16届电子元件学术年会上,一个重要环节即是由清华大学材料系教授周济介绍忆阻器。尽管这只是一个介绍性报告,却为与会者打开了一扇窗口。随后几年,该篇会议论文的下载量激增,显示出国内同行的极大热情。

记者查阅全国博硕士论文库发现,2009年时,尚只有徐晖团队的一篇硕士论文专门介绍忆阻器;到2012年,这一数字已增至11篇。

不过,在段书凯看来,目前国内研究仍处于“自由探索”阶段,不仅力量分散,而且主要集中于理论层面和计算机仿真。受研究条件所限,真正物理实现尚不多见。

“我们必须在国外厂商实现忆阻器产业化之前,‘强强联合,共同攻关’,取得原创性的自主知识产权成果,以免将来受制于人。”缪向水表示。

据了解,华中科技大学历经四年研究,“已经能够制备出纳米级性能稳定的忆阻器原型器件。”近期,由该校牵头,联合清华、北大、国防科大、中科院微电子所等单位已在联合申报一个“973”计划项目,一旦获批,将拉开我国忆阻器研发“协同作战”的序幕。

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一个能学习的纳米元件:比勒菲尔德大学研制的忆阻器被内置于比人头发薄600倍的芯片中。

鸿沟待跨越

从长远来看,更大的挑战则来自于知识、学科和行业之间的“鸿沟”。

湖南大学信息学院副教授尤志强曾前往美国交流,亲眼目睹惠普等产业界与学术界的密集互动。不料回国后,他却接连遭遇在计算机期刊发表忆阻器论文被拒评的尴尬。他推测,评审专家对忆阻器缺乏了解,特别是计算机专家不熟悉半导体领域进展可能是原因之一。

“忆阻器属于影响长远的应用基础问题,存在大量学科交叉,做计算机的往往很难申请到课题,而做半导体的又太着急出成果。”闵应骅直言不讳告诉记者。

而在教学体系设置上,记者发现几乎所有理工科大学生必修的本科基础课程《电路原理》,直到目前仍未将“忆阻器”纳入,以致于不少师生对于忆阻器都普遍感到陌生。

清华大学负责《电路原理》课程的主讲教师、该校电机系副系主任于歆杰认可了上述说法。

于歆杰告诉记者,早在2008年8月,即惠普忆阻器论文刊出3个月后,全国高校举行电路教学年会,首个特邀报告便是由他与北京理工大学教授龚绍文合作的《关于电路第四基本元件的读书报告》,“反响很强烈”。

彼时,由于歆杰等编著的《电路原理》教材刚出版不久,书中有一个非常重要的图,即“电路基本量与电路基本模型间的关系”中的三个基本元件——电容、电阻和电感,“唯独缺忆阻器”。

可实用器件的迟迟未问世,的确给进入教材带来了一定挑战。不过于歆杰透露,他已开始着手教材修订,将忆阻器这一理论上长期“缺失的一环”补上。

徐晖则表示,系统化的知识体系尚未成型是忆阻器进入教材的另一重要障碍。

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由于忆阻器尺寸小、能耗低,所以能很好地储存和处理信息。一个忆阻器的工作量,相当于一枚CPU芯片中十几个晶体管共同产生的效用

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忆阻器的优异性能,已经展现出其广泛的应用前景。这中基础元器件,将从根本上颠覆现有的硅芯片产业。

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忆阻器的原理示意图

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如果超级计算机采用忆阻器芯片,会是何种惊人的效能?图为我国的天河一号A超级计算机


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