忆阻器大讨论

辛昕

忆阻器大讨论 [复制链接]

               近期，EEWORLD将推出一个 忆阻器 的专题。
               以下，有一篇关于忆阻器的大讨论，抛砖引玉，
               希望大家积极来参与～～

忆阻器惊艳现身

         1971年，任教于加州大学伯克利分校的蔡少棠教授（Leon Chua），从理论上预测了忆阻器。的存在，并且为其推导了若干条很基本的性质，以及对其应用作了一番畅想——因为当时，没有任何物理实体，有的只是一个用晶体管搭建的电路模型。
         2008年5月，由世界著名科学家、惠普实验室高级研究院斯坦·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，而且成功设计出世界首个能工作的忆阻器原型。蔡少棠教授在接受媒体电话访问时表示，当年他提出论文后，数十年来并没有继续钻研，因此当惠普实验室几个月前和他联系时，他自己也对惠普实验室的研究成果大吃一惊。
     随后，各方媒体纷纷以诸如“神奇的第四器件忆阻器”一类的标题报告这个重大的发现，并且，在2008年的很多“十大科学发现”的评选中，忆阻器的发现都位列其中，并且名次相当靠前。
     这又是为什么呢？它的神奇又表现在哪里呢？

                                                                               为新一代的RRAM内存奠定基础
     简单说，忆阻器是一种有记忆功能的非线性电阻。通过控制电流的变化可改变其阻值，如果把高阻值定义为“1”，低阻值定义为“0”，则这种电阻就可以实现存储数据的功能。实际上就是一个有记忆功能的非线性电阻器。
     先来看一个新闻：
    2009年10月28日，美国加州圣克拉拉 & 瑞士日内瓦——英特尔公司与恒忆(Numonyx B.V.)今天公布了一项突破性的相变存储器(PCM)研究成果，这种新的非易失性存储器技术结合了目前各种存储器的优势。
     这种存储技术基于
奥弗辛斯基效应。
     简单地说，奥弗辛斯基效应是指：材料由非晶体状态变成晶体，再变回非晶体的过程中，其非晶体和晶体状态呈现不同的反光特性和电阻特性，因此可以利用非晶态和晶态分别代表“0”和“1”来存储数据。
     而作为 忆阻器 的一种应用之一，就是用来模拟这种存储器的。严格说，是模拟一种新型开关，OTS，双向阀值开关，而这种开关正是构成这种相变存储器的基本单元。
     目前，HP实验室正在努力的正是这一方面的应用，此外，密歇根大学的实验室也在进行这方面的努力，尽管他们目前做出的存储器只有1K。
      

世界的本质？请忘记0和1

          在各式各样的计算机教材上，我们很容易看到这样一句话：
          世界的本质就是0和1，这大概是因为计算机的普及和渗透，让我们感觉到数字计算的神奇，以至于我们认为这就是世界的本质。
          但是，也许这只是一种偏见。如果我们去回顾一下计算机的历史，我们就会发现最初，我们选择二进制是一种无奈。二进制的选择，大大简化了计算机的硬件结构，其创新与意义 与当年莫尔斯采用组合方式制定莫尔斯电码一样重要。
          技术时代的人们，被技术的伟大力量震撼着，于是就容易迷信技术是一切。
          我们可以说，世界的本质是0和1，比如这世界有阴阳二气，有黑白分明，有正反两面，还有长短不一......二进制的存在可以找到很多很多的所谓证据。
          但我们也可以说，世界是连续的，是模拟的。
          山涧飞泄的瀑布是连续的，扑面而来的微风是连续的.......模拟的本质同样可以找到很多的证据。

         数字尽管显示了压倒性的优势，数字电视，数字音频视频，但是，它同样有致命的弊端。举一个简单的例子：
         我们可以让一个小学生很轻易地把8个整数按照从小到大排列成一个数组。 可这件事交给计算机，它就要有一串串的代码，因为计算机“很笨”，它只知道两个数谁大谁小，不记得3比4小，也比5小。
         但是，如果我们能做出 模拟计算机，那么，它可以处理的就不是0和1这两种简单的状态，而是0和1之间的任何灰色状态，真正的模糊智能。
         而在忆阻器身上，我们看到了实现的希望：
         忆阻器的最有趣特征之一，是它可以记忆流经它的电荷数量。也就是说，它能够记住过去了的事情，这种记忆不仅可以是1和0这么简单，而且可以包括从1到0之间所有的“灰色”状态，这类似于人类大脑搜集、理解一系列事情的模式。
         



[ 本帖最后由 辛昕 于 2010-1-22 18:31 编辑 ]

辛昕

翻看1971年蔡少棠发表的论文Memristor-The Missing Circuit Element。
        虽然英文水平有限，借助词典也能瞎猜一二。虽然电磁学学的肤浅，但多少有一点数学基础。因此，虽然说的是外行话，倒也得到一些震撼，在此抛砖引玉，如有不对，欢迎拍砖。
        应该说，虽然至今没有发现任何实现 忆阻器 单体 的材料，但在2008年，HP实验室在实验室中证实了 在纳米级系统中的确自然存在 弱忆阻性 之前，蔡少棠教授关于忆阻器的种种论断都只是猜测和理论。
        但是，我们首先应该好奇和惊讶地是，为什么，蔡少棠教授会“凭空”想象出这样一种性质异常神奇的“第四器件”。
        蔡少棠教授本人在其论文的开头部分写道。
        电磁学的四个基本物理量：电压，电流，电荷，磁链（也可以说是磁通）。
        由其中任意两个组合，我们已经定义了五个物理量：电压是磁链对于时间的积分，电流是电荷对于时间的积分。而电压比电流可以得到电阻，磁链比电流可以得到电感。电压比电荷可以得到电容。后三者是传统无源器件RLC。
        可是，四个量，两两组合，应该有六个量，所以，这里漏了一个。于是，蔡教授从这里出发，用电荷和磁链定义了一个物理量，这也就是我们现在称之为 忆阻器 的第四器件…….
       具体推导和相关模拟的方法，蔡教授已经在论文中详细论述，在此不提——
       一则这只是一篇概括性的介绍文字。二则，本人实在能力有限，看得不太懂，不敢妄自胡言乱语。
       在这里，提到这个，我们还想说一下这个“从无到有”的过程及其背后的深刻文化背景。应该说，这种纯粹在理论上的预言在西方科学史上比比皆是。西方科学和文化均来自于古希腊时代，我们不妨称之为“希腊化的科学体系”。
       简单说，中国古代科学技术均以实用，也就是以应用为目的，驱动着科学技术的发展。
       而希腊人则不同，希腊人出于对自由的追求而研究，是很纯粹的理论研究，没有任何实用目的。他们甚至很鄙视为实用而进行学术研究。
       比如大名鼎鼎的欧几里德，有一个关于他的故事是这么说的：有一个慕名前来的求学者问他：学习几何可以给我带来什么好处。他很冷淡地让仆人给了他三个金币，然后让他走人。
       然而，正是这种纯粹理论的研究。使他们得以把自然现象从实际的生产过程和技术实践中分离开来，揭示现象背后的规律。因而，他们可以形成一整套完整，系统的学术体系，比如著名的《几何原本》就是欧几里德在总结前代人的几何学方面的知识而写成的一本旷世巨著，对后世数学的发展意义深远。

       这里还可以举一个阿基米德的例子。他研究了大量的几何图形的面积，体积计算公式，而在当时，人们根本没法在自然界中找到那么多种几何图形的物理原型，可以说是“毫无用处”的。可是，阿基米德留下来的这个系统知识却在两千多年后的今天，在化学家显微镜下的分子结构起了大作用——因为分子结构就是一个个形状多变的几何体。
       可以说，蔡少棠教授的忆阻器和这种情形也很相似。
       在2008年，HP实验室传出他们在纳米级系统中证实在 弱忆阻性 的存在之前，蔡少棠的假设可以说毫无意义的。
       可是，他依然很严谨，很系统地分析 忆阻器 所可能拥有的特殊性能，以及这些性能可能的应用领域。我们有理由相信，他的论文将对接下来忆阻器的发展和研究提供有力的理论武器。

[ 本帖最后由 辛昕 于 2010-1-22 17:13 编辑 ]