忆阻器的进展及应用前景

206 数字化用户 2013 年第 16 期 Digitization user电子科技 忆阻器的进展及应用前景 贾存华 （100071 总后勤部卫生部药品仪器检验所 北京） 【摘 要】忆阻器作为推动信息时代快速发展的因素之一，给电子行业带来了新的发展契机，其发生、发展的整个过程 都非常具有代表性，并且未来发展方向也是值得深入研究的，本文针对忆阻器的发生及特点、结构及材料、应用途径进行分 析，并对忆阻器在未来如何发展进行了展望。 【关键词】忆阻器 电子技术 存储功能 科技飞速发展的时代下，信息传递是影响社会发展的重 要元素之一，海量的信息存储及快速处理等需求推动电子行 业的快速发展。忆阻器作为一种有记忆功能的非线性电阻， 带来了电子电路的结构体系、原理、设计理论的巨大变革， 是继电阻、电容、电感之后的第四种无源基本电路元件，为 电子技术中存储功能的进一步提高提供了基础。 一、忆阻器的发生及特点 （一）忆阻器的发生 1971年，科学家蔡绍棠通过研究发现电压、电流、电 荷、磁通（v,i,q,）这四种变量之间，两两之间组合成的 六种关系中，有5个是已知的，只有q,之间的关系尚不明 确，蔡绍棠根据对称性的原理提出了第4种无源基本电路元件 存在，将这第4种基本电路元件命名为忆阻器，忆阻值M与电 荷q、之间的关系为：d=M(q)dq。 2008年惠普公司成功发明了具有典型特征的固态忆阻 器，自此证明了科学家蔡绍棠提出的第4中基本电路元件存 在，在惠普公司的发展史上，忆阻器的发明带来了新的变革 空间，主要应用于电路结构、设计理论等方面。 （二）忆阻器和其他基本电路元件的关系 无源电路元件集是由忆阻器（M）、电容(C)、电阻（R） 和电感（R）一起组成的。四种电量之间分别由这四种电路 元件来进行转换，四种电路之间不可以相互替代，不可相互 模拟。C、L与忆阻器相比较，虽然是动态元件，都有记忆功 能，但是前两者在实用中存储的能量泄放的很快，忆阻器则 在撤掉电流以后，能一直保持忆阻值，忆阻器具有非易失特 性。M和R的比较，当忆阻值M为常量时，和电阻R是等同的， 而R又不具备忆阻器的忆阻滞回特性，忆阻滞回特性应用于开 关电路中，可以替代存储器的存储单元，存储器被非易失的 阻性随机访问。 （三）忆阻器和有源器件的比较 忆阻器属于无源电路元件，但是它可以用有源和无源器 件混合组成的电路来模拟，这说明了忆阻器在一定因素影响 下可以具有有源器件的某些功能。但是忆阻器并不能完全取 代晶体管，因为忆阻器毕竟属于无源电路元件,晶体管能量控 制作用，因为忆阻器所不具备晶体管能量控制的有源特性。 （四）忆阻器和二极管的比较 忆阻器和二极管的共同点是都是非线性的器件，不同点 是二极管没有记忆的能力。二极管可以组成ROM存储矩阵，其 存储原理是通过逻辑阵列完成逻辑关系，而忆阻器本身即可 存储数据，因此忆阻器可用作非易失随机访问存储器NVRAM。 二、忆阻器的材料及结构 （一）忆阻器制作材料 有机材料中有些具有忆阻特性，但目前使用的忆阻材料 更倾向于无机固体材料。近年来多次实验结果证明，有机材 料制作的忆阻器，对高温不耐受，敏感度较高，其性能不太 稳定。具有忆阻特性的材料类型主要有：有机薄膜、硫化 物、金属氧化物，特别是TiO2 以及各种钛矿化合物等。影响 忆阻器材料选用及采用的因素包括成本、性能等，稀有、贵 重的材料价格必然会很高，不能广泛的应用于实际中，在材 料的选用上还要考虑是否能与集成电路工艺兼容。充分考虑 各项影响因素后，再进行选用，可以有效提高生产效率，降 低制作成本，扩大应用范围。抗辐射能力也是目前选用材料 的特性之一，传统的晶体管抗辐射能力较低，忆阻器的制作 材料具有更强的抗辐射能力。目前磁性存储器（MRAM）、铁 电存储器（FeRAM）、Si+Ag混合材料存储器件和金属氧化物 存储器（CMORAM）等是比较成功具有忆阻特性的器件。 （二）忆阻器的结构 薄膜结构是忆阻器空间结构主要采用的结构，忆阻特性 在器件尺寸较小的前提下，发挥的越明显；忆阻器本身的 结构可以做到几nm尺寸，这一点与MOS器件相比较，MOS管就 很难做到或不能做到；忆阻器的空间结构和集成电路兼容性 好，从而使成本得到了合理控制，加快了忆阻器的应用速 度，发挥了忆阻器在电子行业发展中的商业作用。 （三）忆阻器的种类 自2000年以来，多种材料制作的新型忆阻器件被研究成 功，都具有非易失的忆阻器特性，主要有相变存储器、磁性 存储器、复杂金属氧化物存储器件、铁电存储器、硅和银合 金薄膜存储器件、惠普实验室发明的TiO2薄膜器件（目前非 常受关注）。忆阻器在存储器及模拟神经网络中的应用是研 究的重点内容。 三、忆阻器的各种应用途径 （一）忆阻器在存储器中的应用 非易失的记忆能力是忆阻器的特性，因此忆阻器在存储 器中的作用最为显著，忆阻器是基本的存储单元，体积和功 耗都比较小，是传统单元所不能达到的。 第一个基于轮烷有机分子的纳米交叉结构阻变存储单 元，是2003年惠普实验室和加州大学洛杉矶分校合作通过压 印方法制备出来的，是纳米交叉结构的阻变存储器进入电子 行业的开端。 （二）忆阻器在模拟电路中的应用 忆阻器的非易失记忆能力在模拟电路中也带来了新的发 展方向，传统的电子器件中如二极管、晶体管、热敏电阻等 都不具备忆阻器的特性，这些电子器件结合忆阻器构成了新 型的混合电路，随之也出现了模拟电路的某些新功能及新特 性，使电路功能更加先进，实现更多的电路功能，如非常规 波形发生器和混沌振荡器等。 （三）忆阻器在人工智能计算机中的应用 忆阻器的主要功能是有记忆的能力，除此之外忆阻器还可 以进行逻辑运算，这一功能可以把数据处理模块与存储电路模 块结合在一起，从而改变传统的计算机体系架构，带来计算机 体系架构的重组，为计算机体系的发展带来了新的动力。 1.忆阻器数据写入 通过在忆阻器两端施加超过其阈值的电压，便会使其处 于导通或关断的状态，从而完成忆阻器的置位操作，在此基 础上通过施加不同信号，来完成忆阻器的写操作。这种给忆 阻器两端直接施压的方式，优点是直接方便，但是缺点也很 207 数字化用户 2013 年第 16 期 Digitization user电子科技 明显，因为纳米忆阻器电阻值及其他相关设备运行参数的统 计分布往往呈现出对数正态分布，每次写操作完成后存储单 元的忆阻模拟状态变量便会出现较大的波动现象，影响RRAM 可靠性和持续读写性，也会影响存储单元中高阻态之间的电 阻差距。解决这些问题的方法是在2010年Huang等人提出的一 个反馈系统，通过运算放大器可以持续给忆阻器施加电压， 使得忆阻器能够较稳定处于所需要状态。惠普实验室于2011 年设计出更加完备的闭环反馈电路用于数据写入，确保了忆 阻器两端电压的稳定性，提高了数据写入的可靠性。 .忆阻器的数据读取 数据读取与数据写入有很大的相似之处，施加相同电压， 不同状态间阻值相差较大的原因导致电流差距较大。与数据写 入的区别是忆阻器连段施加的电压不能超过阈值，在不改变忆 阻器的状态下，通过流经存储阵列的负荷电阻的电流来判断忆 阻器的存储数值。也可以运算放大器来辅助读取数据。 3.忆阻器在模拟神经网络中的应用 在模拟神经网络中，突触功能一般可由软件和硬件来完 成，软件和硬件相比较软件完成的速度较慢、整体效率较低， 很少被采用。硬件一般通过模拟电路、模数混合电路和数字电 路来完成。目前，忆阻器的功能是相对于其他器件最接近神经 元突触的电子器件，因此在构筑模拟神经元网络中，忆阻器与 以上其他实现方式相比较，是最先进、最好的一种实现方式， 为模拟神经元网络中发挥着巨大的推动性作用。 4.忆阻器带来的变革 忆阻器与其他各类基本电子器件具有明显的优势，最为 突出的是其非易失特性，这一特性导致电路组成结构出现重 大的变革，并且工作原理也随之发生改变。电子电路设计理 论及开发工具针对忆阻器的特性而做出改变，在目前电子设 计自动化开发工具非常成熟的基础上，不同种类忆阻器件首 先要建立器件模型，把器件模型加入模型库后便可以投入使 用。忆阻器带来的各项变革中，也存在着比较难点的问题， 表现为电路和系统结构发生变化后，必须构建新型的电路及 系统结构，并建立相应的设计理论及工作原理，这是忆阻器 变革中的巨大挑战，也是今后研究的主要内容之一。 四、忆阻器研究难点 忆阻器在存储功能方面的发展是目前研究的方向之一， 在生产工艺改进、产品质量提高、忆阻器在工业中的应用、 读写功能满足计算机结构要求等等问题都是目前忆阻器研究 中的难点问题，也是亟待解决的问题。纳米级器件制备采用 的各项技术，如纳米压印、溶液制备、电子束光刻技术等在 实际中效果并不理想，开关比较小，制备工艺的改进直接影 响到存储器的存储密度及良率，忆阻器性能怎样有效提高， 如何提高读写速度，忆阻器怎样满足计算机对速度和稳定性 的各项要求，这都是今后研究的重点。 五、展望 作为基本电路元件，忆阻器在未来将会在数据存储、技 术操作等方面发挥巨大的作用，器件模型的研究也将会更加 适应实际电路需求，在促进电子产品发展的同时开发更多的 应用电子技术。逐渐普及忆阻器的应用领域，扩大忆阻器的 特殊用途范围，通过其特殊优势及功能得到电子市场的广泛 认可。目前忆阻器的很多应用途径需要进一步开发及完善。 在未来忆阻器一定会成为电子器件的优化产品，满足电子产 品发展趋势各项要求：速度快、功耗低、密度高、体积小及 功能强、成本低、环保等。忆阻器很可能满足以上所有特 点，为电子电路发展贡献巨大的力量。 参考文献： 1蔡坤鹏; 王睿; 周济.第四种无源电子元件忆阻器的 研究及应用进展J.电子元件与材料.2010-04 2朱平平; 甘朝晖; 蒋旻.忆阻器实现逻辑门的方法研 究J.微电子学与计算机.2012-12 作者简介： 贾存华（1966年8月出生），男，河北省邯郸，总后勤部 卫生部药品仪器检验所工程师，大学本科学历。主要从事计 算机、通信自动化工作。 者与馆员论坛交流服务等。这些有特色的服务都是可供图书 馆建设服务品牌选择的新型服务方式。个性化服务则是指图 书馆针对读者的不同而提供相对应的特色服务。例如在高校 图书馆，针对学生，图书馆可以提供讲座等形式，指导他们 检索图书馆资源信息的方法，进而可以顺利查询到所需资源 的相关信息。而针对教师，则可以提供调整他们资源检索策 略，进而提高这部分读者检索的效果。开设个性化服务是提 升图书馆服务质量水平、提高馆藏资源利用率、建设服务品 牌的重要策略。而信息化服务则是指为读者发展给类能满足 实现需求的信息服务。馆员在读者选择、获取与利用图书馆 各类资源时提供建设性意见，也可以为读者提供信息分析与 研究的相关服务，又或者是为读者提供信息检索、分析、处 理的相关服务。信息化服务对专业馆员的要求比较高，馆员 需要有比较高的综合文化素养，进而可以应对日新月异的网 络环境与不断变化的读者需求。 （四）开设文献检索相关讲座或课程，对读者开展信息 素质教育 为了可以让读者更好地了解相关计算机信息检索的基本 知识，掌握怎样通过计算机进行国际联机检索、网络资源搜 索、知网等相关数据库检索的方法，进而让读者适应信息现 代化的变化。图书馆可以利用开设相关讲座或课程对读者进 行教育，从而提高馆藏资源的利用率。例如高校图书馆针对 刚刚入学的新生，可以以系、班级为单位开展培训，而针对 不同专业的不同需求，每个学期还可以开展不同数据库使用 方法的讲座，另外，某些高校图书馆还针对其学院学生的特 点与馆藏资源的现状，进行相关教程的编写。这些服务工作 的开展，都可以提高读者检索资源的便利性，提高图书馆资 源的利用率，让图书馆资源更好地为读者服务。 （五）加强图书馆馆员的继续教育，是图书馆建设服务 品牌的关键所在 图书馆馆员加强自身业务素质的重要途径之一就是加强自 主学习。特别是管理体制改革逐渐深化的情况下，对图书馆馆 员工作不再是“铁饭碗”，而是实行择优聘任、按需设岗，图 书馆馆员有了就业压力，也就有了不断加强学习、提高自身业 务素质的动力。而就这些情况，图书馆应当顺势而为，激励工 作人员依据自身特点、岗位要求等需要，选择合适的继续教育 的方式，提高自身综合素质。图书馆可以在经济方面与时间方 面给予支持，为馆员继续教育提供便利与支持，这样有利于提 高馆员工作的积极性，从整体上提升图书馆质量水平。 三、结束语 通过建设图书馆服务品牌的宣传推广，向社会大众积极 推广自身的特色服务与资源，提高图书馆馆藏资源的利率率 与社会认知度，对推进图书馆发展，提高图书馆社会效益， 具有现实性意义与作用。 参考文献： 1任永芳.论图书馆的品牌经营意识J, 河北科技图 苑,2013,(4):30-32. 2杨剑.高校图书馆应重视创建服务品牌J, 图书馆学 刊,2013,(3):49-51. 3胡江辉.浅谈网络环境下图书馆服务品牌的树立J, 高校图书馆工作,2011,(1):4