記憶的“守護(hù)神”

劉　露

當(dāng)前，許多研究人員試圖編寫(xiě)計(jì)算機(jī)代碼，以此來(lái)模擬大腦的功能，他們使用大量有強(qiáng)大處理能力的機(jī)器，但也僅能模擬大腦很小的部分。一種新的電路元件的出現(xiàn)，讓科學(xué)家能夠用一種不同于編寫(xiě)計(jì)算機(jī)程序的方式來(lái)模擬大腦，或模擬大腦的某種功能，構(gòu)造出具有仿生功能的硬件。這種元件就是充滿(mǎn)了科技傳奇色彩的憶阻器。

早在1971年，加州大學(xué)伯克利分校華裔科學(xué)家蔡少棠就發(fā)表了題為《憶阻器：下落不明的電路元件》的論文，從理論上預(yù)測(cè)出自然界存在除電阻器、電容器和電感器之外的第四種電路元件，并稱(chēng)之為憶阻器。簡(jiǎn)單地說(shuō)，憶阻器是一種有記憶能力的非線性電阻，可通過(guò)電流的變化控制其阻值的變化，如果將憶阻器的高阻值和低阻值分別定義為1和0，就可以通過(guò)二進(jìn)制的方式來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，即使電流中斷記憶也不會(huì)消失。不過(guò)，受到當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，蔡少棠教授在提出論文后，并沒(méi)有繼續(xù)對(duì)憶阻器的研究。

37年過(guò)去了，2008年5月1日，由世界著名科學(xué)家、惠普實(shí)驗(yàn)室斯坦·威廉姆斯領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，在《自然》雜志以《尋獲下落不明的《憶阻器》為標(biāo)題發(fā)表論文，首次證實(shí)憶阻器確實(shí)存在。而且威廉姆斯小組像制作三明治一樣將一層納米級(jí)的二氧化鈦半導(dǎo)體薄膜夾在由鉑制成的兩個(gè)金屬薄片之間，從而成功設(shè)計(jì)出世界首個(gè)能工作的憶阻器原型。這些材料都是標(biāo)準(zhǔn)材料，其組成部分只有5納米大小，也就是說(shuō)僅相當(dāng)于人的一根頭發(fā)絲的一萬(wàn)分之一那么細(xì)。這一成果不僅使得蔡少棠本人大吃一驚，更將對(duì)電子科學(xué)的發(fā)展歷程產(chǎn)生重大影響。

憶阻器的發(fā)現(xiàn)足以媲美100年前三極管的發(fā)明，它具有巨大的潛力，能夠使一些關(guān)鍵的電子技術(shù)在將來(lái)成為可能。它是一個(gè)新的電路元件，并且已展示出了許多令人期待的、新穎的特性，這些特性是之前設(shè)計(jì)工程師們都未曾見(jiàn)過(guò)的。與現(xiàn)在廣泛使用的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器和閃存相比，憶阻器能量消耗更低。與此同時(shí)，材料的憶阻特征，在納米水平上才有明顯表現(xiàn)，這就意味著憶阻器適用于更加密集的電路元件構(gòu)造，在同樣大小的電路尺寸上能存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)。過(guò)去需要多個(gè)晶體管才能完成的工作，現(xiàn)在只需一個(gè)憶阻器就能勝任。晶體管和憶阻器的集成混合電路，具有動(dòng)搖整個(gè)電子工業(yè)硬件行業(yè)的潛力。

而且，用憶阻電路制造出的計(jì)算機(jī)將能“記憶”先前處理的事情，并在斷電后“凍結(jié)”這種“記憶”。今天的電腦廣泛使用動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器作為內(nèi)存，這種技術(shù)的最大問(wèn)題是，當(dāng)用戶(hù)關(guān)閉Pc電源時(shí)，內(nèi)存就“忘記”了曾使用過(guò)的數(shù)據(jù)，下次打開(kāi)計(jì)算機(jī)電源，用戶(hù)必須等待所有需要運(yùn)行的數(shù)據(jù)全部從硬盤(pán)中重新裝載入內(nèi)存后才能使用。這個(gè)過(guò)程有時(shí)長(zhǎng)這幾分鐘。而采用憶阻電路的非易失性阻抗存儲(chǔ)器(RRAM)，在斷電后仍然能夠保存數(shù)據(jù)。有了RRAM，電腦會(huì)在開(kāi)機(jī)的一瞬間回到上次關(guān)機(jī)前的狀態(tài)。這將使計(jì)算機(jī)可以反復(fù)立即開(kāi)關(guān)，因?yàn)樗薪M件都不必經(jīng)過(guò)“導(dǎo)入”過(guò)程就能即刻回復(fù)到最近的結(jié)束狀態(tài)。

一旦RRAM得到應(yīng)用，手機(jī)可以使用數(shù)周或更久的時(shí)間而不需充電，筆記本電腦可以在電池耗盡之后很久仍記憶上次使用的信息，數(shù)碼相機(jī)、MP3和掌上電子設(shè)備也會(huì)帶來(lái)全新功能。

最重要的是，憶阻器可以記憶流經(jīng)它的電荷數(shù)量。而且這種記憶不是1和0這么簡(jiǎn)單，它可以包括從1到0之間所有的狀態(tài)。這類(lèi)似于人類(lèi)大腦搜集、理解一系列事情的模式。因此采用憶阻囂技術(shù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以擁有像人類(lèi)一樣的記憶與聯(lián)想模式。這些功能能夠使有學(xué)習(xí)能力的電氣用具和有決策能力的計(jì)算機(jī)成為可能。這樣的計(jì)算機(jī)可以做許多數(shù)字式計(jì)算機(jī)不太擅長(zhǎng)的事情，例如圖形識(shí)別等。而且，計(jì)算機(jī)將不僅能夠用軟件來(lái)學(xué)習(xí)，也可以用硬件來(lái)學(xué)習(xí)。毫無(wú)疑問(wèn)，憶阻器的發(fā)現(xiàn)震撼了整個(gè)世界，它將在未來(lái)改變我們對(duì)計(jì)算機(jī)和存儲(chǔ)的概念。

責(zé)任編輯趙新宇