更新时间：2024-09-20 21:53
忆阻器（Memristor），全称为记忆电阻器，是一种有记忆功能的非线性电阻，是电阻、电容、电感之外的第四种电路基本元件，具有高速、低功耗、高集成度、兼具信息存储与计算功能等特点，被认为是最有潜力的未来逻辑运算器件。
1971年，首次提出忆阻器的概念的是加利福尼亚大学华裔科学家蔡少棠。可直到2008年，惠普的研究小组才将这一概念变为现实，创建了世界上第一个忆阻器器件，并在《自然》上证实忆阻器的物理存在。密歇根大学于2010年率先研制出一种模拟大脑突触工作的忆阻器电路。比勒费尔德大学托马斯博士及其同事在2012年制成了一种具有学习能力的忆阻器。2013年，安迪·托马斯利用“忆阻器”作为人工大脑的关键部件。2015年5月17日，科学家已经采用忆阻器件，创建了神经网络芯片。2018年Guo团队制备了光电忆阻器，2019年韩国Wang团队制备了一款垂直结构的忆阻器。2021年，作者研究组率先研发出全光控忆阻器。2022年，东北师范大学的Liu团队制备了一款全光控忆阻器，并模拟了生物突触的长程增强和抑制功能。
1971年，蔡少棠教授在理论上预测了忆阻器的存在，只是因为在数学模型上它应该是存在的。为了证明忆阻器的可行性，蔡教授决定用电阻、电容、电感和放大器做出了一个模拟忆阻器效果的电路，当时并没有找到什么材料本身就有明显的忆阻器的效果，也没有人在找，处于连集成电路都刚起步不久的阶段。
在2008年，HP关于忆阻器的发现发表于《自然》期刊，于2009年证明了Cross Latch的系统很容易就能堆栈，形成立体的内存。技术每个电线间的开关大约是3nmx3nm大，开关切换的时间小于0.1ns，整体的运作速度已和DRAM所差无几，但是开关次数还不如DRAM，所以还不能取代DRAM，但是其容量很大，远远超过了闪存。Crossbar latch的作用很多，不单单只是用来储存数据。它的网格状设计，和每个交叉点间都有开关，表明整组网格在某些程度上是可以逻辑化的。在原始的Crossbar Latch论文中就已经提到了如何用网格来模拟AND、OR和NOT三大逻辑闸，几个网格的组合还可以做出加法之类的运算，这为摆脱晶体管进到下一个世代开了一扇窗。很多人认为忆阻器电脑相对于晶体管的跃进，和晶体管相对于真空管的跃进是一样大的。另一方面，也有人在讨论电路自己实时调整自己的状态来符合运算需求的可能性。再搭配上忆阻器的记忆能力，代表着运算电路和记忆电路可同时共存，而且随需要调整。这已经完全超出了这一代电脑的设计逻辑，可以朝这条路发展下去的话，代表着新一代的智慧机器人的诞生。
在2008年5月1日，基于TiO2的RRAM器件的《自然》期刊上发表，惠普实验室的研究人员认为RRAM就是Chua所说的忆阻器。加利福尼亚大学伯克利分校教授蔡少棠在1971年发表《忆阻器：下落不明的电路元件》论文，提供了忆阻器的原始理论架构，推测电路有天然的记忆能力，即使电力中断亦然。惠普实验室的论文则以《寻获下落不明的忆阻器》为标题，呼应前人的主张。RRAM可使手机使用数周或更久而不需充电；使个人电脑开机后立即启动；笔记型电脑在电池耗尽之后很久仍记忆上次使用的信息。忆阻器也挑战掌上电子装置内普遍使用的闪存，因为它具有关闭电源后仍记忆数据的能力。RRAM比闪存更快记忆信息，消耗更少电力，占用更少空间。忆阻器跟人脑运作方式颇为类似，惠普说或许有天，电脑系统能利用忆阻器，像人类那样将某种模式（patterns）记忆与关联。
RRAM为制造非易失性存储设备即开型PC、更高能效的计算机和类似人类大脑方式处理与联系信息的模拟式计算机等铺平了道路，未来甚至可能会通过大大提高晶体管所能达到的功能密度，对电子科学的发展历程产生重大影响。蔡教授原先的想法是：忆阻器的电阻取决于多少电荷经过了这个器件。研究人员也表示，忆阻器器件的最有趣特征是它可以记忆流经它的电荷数量。也就是说，让电荷以一个方向流过，电阻会增加；如果让电荷以反向流动，电阻就会减小。简单地说，这种器件在任一时刻的电阻是时间的函数———或多少电荷向前或向后经过了它。这一简单想法的被证实，对计算及计算机科学产生深远的影响。
2010年，密歇根大学率先研制出一种模拟大脑突触工作的忆阻器电路，并且密歇根大学还试图用数以万计的“忆阻器突触”来构建类神经网络。随后，IBM公司宣布用这种突触电路，来模仿猫脑的算法“BlueMatter”，将新型超级计算机的研制转移至硬件端，开辟认知型电脑的新时代。2012年，比勒费尔德大学托马斯博士及其同事，制成了一种具有学习能力的忆阻器。2013年，安迪.R托马斯利用“忆阻器”作为人工大脑的关键部件。在2015年5月17日《自然》杂志上，科学家采用忆阻器件，创建了神经网络芯片。2015年Bersuker团队利用二氧化铪(HfO2)制备了导电细丝型光电忆阻器。2018年Guo团队基ZnO1-x/AlOy异质结制备了光电忆阻器，2019年韩国Wang团队基于CH3NH3PbI3(即MAPbI3或OHP)制备了一款垂直结构的忆阻器。2021年，作者研究组率先研发出了具有实际应用前景的全光控忆阻器，并模拟了生物突触的脉冲时间依赖可塑性学习规则，2022年，东北师范大学的Liu团队以Ag-TiO2纳米复合材料为介质层制备了一款全光控忆阻器，并模拟了生物突触的长程增强和抑制功能。
忆阻器的电阻转变行为通常伴随着电子、离子等电荷的场致输运。描绘器件中电子注入过程、迁移离子的类型、离子产生和复合的电化学反应过程，阐明电场作用下的纳米尺度器件中的电荷输运机制及其对器件导电特性的影响。场致电子或离子的迁移会导致器件中局部区域元素分布、价态成键和材料结构等的变化，改变材料能带结构和电荷输运性质，从而在器件两端电极之间导致金属性导电通道的生长和断裂过程。
实现忆阻效应的器件主要为电阻开关“金属/绝缘体/金属”结构(metal/insulator/metal，简记为MIM 结构)，这与电容器结构类似，主要区别在于忆阻器结构两端的上下电极通常特性不同，是一种不对称的二端结构器件。相比传统的互补金属氧化物半导体(CMOS)器件，忆阻器结构在集成度及尺寸缩小方面具有明显优势。
忆阻器最简单的应用就是作为非易失性阻抗存储器(RRAM)，当前的动态随机存储器所面临的最大的困难是关闭PC电源时，动态随机存储器就无法运行，所以下次打开计算机电源，就必须等很长时间，等所有需要运行计算机的东西都从HDD装入到动态随机存储器。但是有了非易失性随机存储器，那个过程将是瞬间的，就不需要使用者长时间的等待，并且PC会回到关闭时的相同状态。研究人员称，忆阻器可让手机在使用数周或更久时间后也不需要充电，也可使笔记本电脑在电池电量耗尽后很久仍能保存信息。所以，忆阻器也有望挑战数码设备中普遍使用的闪存，因为它具有关闭电源后仍可以保存信息的能力。利用这项新发现制成的芯片，比闪存更快地保存信息，消耗更少的电力，占用更少的空间。
忆阻器还能让电脑记忆之前使用者搜集数据的方式，这就类似于人类大脑搜集、理解一系列事情的模式，可让计算机在找出自己保存的数据时更加智能。例如，根据以往搜集到的信息，忆阻器电路可以告诉一台微波炉对于不同食物的加热时间。许多研究人员正试图编写在标准机器上运行的计算机代码，用来模拟大脑功能，他们使用大量有巨大处理能力的机器，可也仅仅是模拟大脑很小的部分。研究人员表示能用一种不同于写计算机程序的方式来模拟大脑或模拟大脑的某种功能，即依靠构造某种基于忆阻器的仿真类大脑功能的硬件来实现。其基本原理为，不用1和0，而代之以像明暗不同的灰色之中的几乎所有状态。这样的计算机可以做许多种数字式计算机不太擅长的事情。比如做决策，判定一个事物比另一个大，甚至是学习等等。这样的硬件可用来改进脸部识别技术，比在数字式计算机上运行程序要快几千到几百万倍。
忆阻器的优异性能已经展现出其应用前景，这种基础元器件从根本上颠覆现有的硅芯片产业。忆阻器具有布尔逻辑运算的功能是惠普实验室在2010年所宣布的，这一发现震动了计算机学界。曾领衔研制“天河一号”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电路。”西南大学电子信息工程学院教授段书凯表示：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，还推动人工智能和模拟存储的发展。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、长江学者缪向水也发表了自己的看法，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，此时看来还不太现实。“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。
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。闵应骅曾表示，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，成为未来极有希望的存储元件。不过几乎所有科学家，学者均认为，这正是一个历史机遇，中原地区研究者应有所作为。
提及忆阻器当前国内外研究态势，国防科技大学电子科学与工程学院教授徐晖则表示：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。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，英特尔、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。缪向水也坦承， 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。2009年，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。缪向水表示：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。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。并由该校牵头，联合清华大学、北京大学、国防科技大学、中国科学院微电子研究所等单位已在联合申报一个“973”计划项目，拉开中国忆阻器研发“协同作战”的序幕。
从长远来看，忆阻器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，尤志强却接连遭遇在计算机期刊发表忆阻器论文被拒评的尴尬。尤志强推测，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。闵应骅表示：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。2013年，在教学体系设置上， 几乎所有理工科大学生必修的本科基础课程《电路原理》，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。
忆阻器具有电化电池表现的特征。
惠普资讯与量子系统实验室的研究人员于2007年在理查德·斯坦利·威廉姆斯的领导下成功研制了固态的忆阻器，是由一片双层的二氧化钛薄膜所形成，当电流通过时，其电阻就会改变。固态的忆阻器的制造需要涉及物料的纳米技术，这个忆阻器并不像其理论般涉及磁通量，或如电容器般储存电荷，而是以化学技术来达至电阻随电流历史改变的性质。不过，三星集团却有一项正申请专利的忆阻器，采用了类似惠普公司的技术。故此谁是忆阻器的创始人则有待澄清。惠普是以两层二氧化钛薄膜来制作忆阻器元件，其中一层掺杂。
忆阻器能够记忆信息的能力可以应用在非易失性存储器领域并导致一种新型计算机存储器的产生，补充并且最终替代传统的D一RAM。基于忆阻器部件的计算机，将无需费时耗能的启动过程，也不像使用传统D-RAM的计算机那样，一旦切断电源就无法保存信息。设想这一功能应用在你的笔记本电脑中，当你突然拔出电池，没有保存文档，没有正常退出程序，这时你不会失去任何东西。重新放回电池，笔记本屏幕立即恢复原样，没有冗长的重启动，没有任何的文件恢复操作。另外，这一功能将在“云计算”应用中发挥重要作用。“云计算”应用现已在IT基础设施中越来越盛行，它使用成千上万台服务器和存储器系统，这些系统需要大量的电能以存储、重新获取以及保护数以百万计的全球互联网用户的信息。
忆阻器的行为机制类似于神经元和突触，因此可应用于人工神经网络，使得电脑神经网络制作更能接近人脑，可用于实现类脑系统。也就是说，忆阻器技术的更多潜能存在于计算机系统的创建中，这些计算机系统可以拥有像人类一样的记忆与联想模式，可以大大改进脸部识别技术，或提供更复杂的生物识别系统，该系统能够更有效地限制对个人信息的访问。这些相同模式匹配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。也就是说，不久的将来，计算机将不仅能够用软件来学习，也可以用硬件来学习。可见，忆阻器将可以取代晶体管电路而应用在新一代具备人脑思维能力的模拟电路设计中。这就是模拟学习、自适应和自发行为的神经形态元件。
忆阻器被植入到人体内后，可以执行体征监测、疾病预警、伤口愈合跟踪，并能够将信息无线地传送给医生或患者，以便于采取后续措施。实验证实，可降解忆阻器可读写数百次，在干燥情况下，信息可储存3个月。而当忆阻器放入水中或人体体液中时，整个器件在3天时间内就几乎完全溶解。
2013 年前使用忆阻器的记忆装置将上市.中国科学院成都文献情报中心.2023-10-11
世上第四种元件——忆阻器(memristor).电子工程世界.2023-10-11
忆阻器材料成IT基础研究新焦点.中国新闻网.2023-10-12
忆阻器.华中科技大学信息存储材料及器件研究所.2023-10-11
我院老师再出重要学术成果.北京邮电大学计算机学院.2023-10-11
“忆阻器之父”蔡少棠教授来访交流.华中科技大学信息存储材料及器件研究所.2023-10-11
[科普中国]-忆阻器.科普中国网.2023-10-11
忆阻器.山东合运电气有限公司.2023-10-12
可被人体吸收的电子器件问世 将在疾病诊断中发挥作用.中国科技网.2023-10-11