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可变电阻式存储器（ReRAM）知道“第4类被动元件”吗？2010/10/01 00:00打印 E-mail提起双端子被动元件，读者想必会想起电阻（R）、电容器（C）、电感器（L）这3种元件。但是你知道吗？作为继LCR之后的“第4类被动元件”，一种名为“Memristor”的元件正在越来越多地被人提及。 Memristor是将“Memory”与“Resistor（电阻）”组合而成的造词，上世纪70年代，加州大学柏克莱分校（University of California Berkeley）教授Leon O. Chua在理论上预言了Memristor的存在。Memristor是一种元件两端间电压取决于元件目前状态（电荷函数）以及元件中所流通电流的双端子非线性元件。 Memristor（17个）的试制实例。在17条1条Pt布线的交汇点上形成了TiO2膜，这一部分将发挥Memristor的功能。首先设想作为内存（ReRAM）开始进行生产，但应用到非易失性逻辑电路上时，惠普设想在CMOS电路的布线层上堆叠这种ReRAM。在被Chua提出之后，Memristor似乎未曾受到太大关注，但在2008年美国惠普发现，新一代非易失性存储器的一种ReRAM（可变电阻式内存）元件可作为Memristor工作。惠普在英国Nature 杂志上公布了这一成果之后，Memristor骤然成为关注的焦点。 由于Memristor本身是被动元件，因而可应用于模拟电路，但惠普主要设想的是在数字电路上的应用。“双端子元件的两端电压依赖于元件的目前状态”，如果以数字式思维来考虑的话，这也就意味着顺序电路（存储元件）。 Memristor可作为存储元件工作是理所当然的，但惠普的成果在于：从“ReRAM这种非易失性存储器元件是一种Memristor”出发，发现Memristor不仅仅是一种存储元件，还可作为组合电路、也就是逻辑门发挥作用。据惠普介绍，如果是NAND门的话，可由3个Memristor元件来构成。另外，虽然不是电路领域中很普通的逻辑门，如果是“IMP（隐含）门”的话，则可由2个Memristor元件构成。与只要有NAND门就能构成所有的逻辑电路（实际上考虑到面积效率，会与逆变器进行组合）一样，据说IMP门也能通过与FALSE输出门组合而构成所有的逻辑电路。 如上所述，Memristor具有的优点是可利用小型内存元件、以微小体积构成逻辑门。此外，还可考虑以下应用：1）用Memristor取代逻辑电路中的寄存器，当不使用该电路时，则切断电源以降低耗电量；2）采用Memristor来构成FPGA的配置存储器（Clearing Configuration Memory）等，借此以微小体积实现可编程电路。 也许读至此处的读者们注意到了，实际上惠普在Memristor的应用例子中，大多数并不能说是发挥了Memristor特有的性质以及Memristor的优势。作为瞄准“闪存接班人”宝座的新一代非易失性存储器的应用，应该说Memristor是与很早以来日本企业就持续不断进行研究的“非易失性逻辑电路”在概念上几乎相。在基于MRAM、FeRAM等的非易失性逻辑电路的一系列研究中，惠普也借着ReRAM的名目参与进来，仅此而已。关键是，这些企业进行的都是“基于ReRAM的非易失性逻辑电路研究”。 虽然正如擅长宣传的美国企业都会做的那样，在惠普的Memristor相关信息发布中也罗列了“为像人脑一样工作的计算机的实用化开辟了道路（Chua）”等等豪言壮语，但就连惠普的研究人员自己也承认，“Memristor不仅限于ReRAM，通过PRAM（相变内存）等其他元件也能实现。这一领域有许多竞争对手”。虽然非易失性逻辑电路以外的模拟计算机（Analogue Computer）式的Memristor应用也许是只有惠普才敢提出的目标，但那归根结底要等ReRAM在数字领域取得成功之后才谈得到。 说起来，ReRAM本身如果不能战胜PRAM及MRAM等竞争对手、并确立作为“闪存接班人”的地位的话，那么，以非易失性逻辑电路为代表的内存元件的逻辑电路应用，乃至利用Memristor的非线性特性的模拟电路应用（不过，关于这一部分，惠普自己只作了“实现Artificial Synapse”这种抽象的表述，而没有提出很具体的应用方法），都将只是一张不能充饥的“画饼”。 如此看来，要想将惠普描绘出的Memristor未来前景变成现实，就必须与具有相当实力的半导体厂商或者内存厂商进行合作，并且首当其冲地在市场上确立起作为新一代非易失性存储器的ReRAM的地位。自从听说了惠普的Memristor研究以来，笔者对这一点最感到担心。不知道目前没有半导体业务的惠普究竟会与哪家半导体厂商联手合作 如果是仅凭一般CMOS技术就能制造的电路，那么利用芯片代工厂（Foundry）即可进行生产，但惠普的Memristor是基于ReRAM的产品。虽然采用的是交叉点型这种简单的构造方式，但材料却是在Pt布线上采用TiO2电极的特殊工艺。这不是目前惠普单独一家厂商就能实现的，必须与拥有ReRAM制造技术的大型半导体厂商的合作。说起研究ReRAM的企业，包括三星电子（Samsung Electronics）、富士通以及Unity Semiconductor等等。 惠普Memristor研究项目带头人Stanley Williams（高级研究员兼信息与量子系统实验室主任）在2010年4月回答笔者咨询时曾表示，“当然，我们设想了与其他企业进行合作，但具体的企业名称还不能对外公布”。 到了这个月，其合作对象终于公之于众了。对方是韩国海力士半导体（参阅本站报道）。 海力士是著名的内存供应商。此次惠普与海力士的合作是否为排他性的还不得而知，但今后海力士将如何使新一代非易失内存ReRAM实现实用化，又将怎样与惠普共同推进“内存与逻辑电路的融合”呢？笔者期待着今后的进展。（记者：进藤 智则）惠普以ReRAM构成逻辑门，瞄准非易失逻辑等领域2010/06/23 00:00打印 E-mail试制的17个ReRAM元件（宽50nm）美国惠普公司（HP）宣布，使用新一代非易失性存储器之一的、可变电阻式存储器（ReRAM），能够以更小的面积构成NAND等逻辑门。逻辑电路普遍使用的NAND门需要4个FET，而惠普表示能够以3个ReRAM元件构成NAND门 注1）。如果能够利用与FET相比结构更简单且容易提高集成度的内存元件来构成逻辑门的话，便有助于逻辑电路减小面积、提高集成度。 注1） 除NAND外，还表示能够以2个ReRAM元件构成IMP（隐含）门。 充分利用Memristor的特点 ReRAM等新型非易失性存储器不仅可推动对闪存的替代，而且还有助于逻辑电路的改善。迄今已提出的具体方案有：将逻辑电路中的寄存器换成非易失性存储器，在不使用电路时停止电源供应，降低功耗；以集成度高的非易失性存储元件构成逻辑门，减小逻辑电路的面积，实现逻辑门根据非易失性存取器的bit状态向NAND及NOR等切换的编程电路。 此次惠普凭借ReRAM实现了中的方案 注2）。具体为试制了以Pt电极（50nm宽）夹着TiO2的ReRAM元件，并证实能够作为逻辑门工作（图1）。计划数年内在闪存替代用途中实用化，并在之后5年内应用于逻辑电路。由于该公司没有半导体制造部门，因此估计将与其他企业合作。 注2） 在方面，罗姆已凭借强介电体存储器（FeRAM）使该方案实用化，NEC也在利用MRAM进行相关研究。而方面，日本东北大学已利用MRAM完成试制。 虽然有很多企业都在对ReRAM元件本身进行研究，但惠普的特点在于将该元件定位于“Memristor”。Memristor在20世纪70年代被理论性预言为继电阻器、电容器、电感器之后的“第4种2端子基本元件”。这是一种元件两端的电压由元件的当前状态（电荷函数）和电流决定的非线性元件。惠普于2008年首次发现ReRAM元件可作为