納米記憶元件推動(dòng)電子科技實(shí)現(xiàn)重大突破

于凌宇，劉夏飛

(1.河南大學(xué)濮陽(yáng)工學(xué)院,河南濮陽(yáng)　457000;

2.濮陽(yáng)市人民防空辦公室，河南濮陽(yáng)　457000)

于凌宇(1957—)，男，河南濮陽(yáng)人，工學(xué)學(xué)士，三級(jí)教授，主要研究方向?yàn)殡娮釉c材料；

E-mail：ylycn@126.com

劉夏飛(1985—)，男，河南焦作人，理學(xué)學(xué)士，主要研究方向?yàn)楣怆娍萍肌?/p>

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綜述

納米記憶元件推動(dòng)電子科技實(shí)現(xiàn)重大突破

于凌宇1，劉夏飛2

(1.河南大學(xué)濮陽(yáng)工學(xué)院,河南濮陽(yáng)457000;

2.濮陽(yáng)市人民防空辦公室，河南濮陽(yáng)457000)

摘要：該文闡述了納米記憶元件的內(nèi)涵和工作機(jī)理，探討了記憶元件的國(guó)內(nèi)外研發(fā)進(jìn)展，深入分析了記憶元件對(duì)電子科技的重大突破。為我國(guó)緊密跟蹤記憶元件科技前沿，精準(zhǔn)找好切入點(diǎn)，奮力搶占制高點(diǎn)提供一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：記憶元件；憶阻器；憶容器；憶感器；研發(fā)；突破

0引言

2008年電子科技界爆出了震驚全球的新聞，美國(guó)惠普公司實(shí)驗(yàn)室研究人員宣稱成功設(shè)計(jì)出了世界首個(gè)能工作的憶阻器原型，并表示這是電路世界中存在的第四種基本元件。這項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)被評(píng)為當(dāng)年的國(guó)際十大科技新聞。從此，在世界范圍內(nèi)，掀起了記憶元件研發(fā)應(yīng)用的科技革命新浪潮。

由于記憶元件的研發(fā)戰(zhàn)略，涉及技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、應(yīng)用和市場(chǎng)等諸多層面，必須從全局著眼，統(tǒng)籌兼顧，深入研究，才能夠高效推進(jìn)和科學(xué)發(fā)展。

1納米記憶元件的內(nèi)涵和工作機(jī)理

憶阻器是最先問(wèn)世的一種納米記憶元件。納米記憶元件包括憶阻器(MR，又稱憶阻、記憶電阻器)、憶容器(MC，又稱憶容、記憶電容器)和憶感器(ML，又稱憶感、記憶電感器)。

在傳統(tǒng)電路中，電路的基本元件只有三種無(wú)源元件，即電阻器(R，簡(jiǎn)稱電阻)、電容器(C，簡(jiǎn)稱電容)、電感器(L，簡(jiǎn)稱電感)。而在現(xiàn)代電路中，由于三種無(wú)源記憶元件的出現(xiàn)，電路的基本元件將擴(kuò)充至六種，從而組成了完備的無(wú)源基本電路元件集。

之所以稱為納米元件，是因?yàn)檫@種元件的電子特性微弱，僅顯現(xiàn)于大規(guī)模系統(tǒng)中，必須做成納米尺寸，只有在納米尺度上和納米級(jí)電路中，他們的工作狀態(tài)才可以被察覺(jué)到，才變得重要，并因此而有用。因?yàn)殡S著元件的減小，電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)力變得越來(lái)越大，而需要用于產(chǎn)生電子特性變化的原子運(yùn)動(dòng)變得更小，兩種趨勢(shì)相互加強(qiáng)，直到它們最終支持記憶電子特性的出現(xiàn)。

簡(jiǎn)而言之，記憶效應(yīng)有賴于原子級(jí)移動(dòng)，而這種移動(dòng)，只有在納米尺寸的元件中，才能得以實(shí)現(xiàn)。

專家們認(rèn)為，制造記憶元件的最大極限尺寸是5納米，超越極限尺寸，將會(huì)產(chǎn)生電流泄漏等諸多問(wèn)題，記憶元件的弱特性也難以展示。

之所以稱為記憶元件，是因?yàn)檫@種元件即使在關(guān)閉電源的情況下，仍然具備記憶關(guān)閉電源前自身電參數(shù)歷史的功能。

2記憶元件[1]國(guó)內(nèi)外研發(fā)進(jìn)展

記憶元件，是目前眾多發(fā)達(dá)國(guó)家、領(lǐng)袖企業(yè)競(jìng)相研發(fā)的高新基本電路元件。

專家們認(rèn)為，雖然對(duì)記憶元件的機(jī)理尚未完全明了，但國(guó)際間的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)和應(yīng)用競(jìng)爭(zhēng)已達(dá)到白熱化程度，這必將引發(fā)新一輪的電子革命。

據(jù)了解，自美國(guó)惠普公司推出憶阻器原型之后，世界發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)記憶元件的研發(fā)浪潮日益高漲，至今已有十多個(gè)國(guó)家的上百個(gè)高校院所、企業(yè)集團(tuán)參與其中。不僅英國(guó)、德國(guó)、日本、法國(guó)、俄羅斯、韓國(guó)、澳大利亞、荷蘭、比利時(shí)等國(guó)的科技界、工業(yè)界積極介入，美歐軍方也高度重視，在此研發(fā)工作中砸下重金。

2.1國(guó)外記憶元件研發(fā)動(dòng)態(tài)

2.1.1國(guó)際憶阻器[2]研發(fā)格局

1971年，美國(guó)加州大學(xué)電子專家蔡少堂在IEEE電路理論學(xué)報(bào)第18冊(cè)發(fā)布了“尋獲失落的憶阻器”論文，但尚未制造出產(chǎn)品。

1976年，蔡少堂在IEEE學(xué)報(bào)第64冊(cè)發(fā)布了“憶阻器件和系統(tǒng)”論文，并做出了一個(gè)模擬器。

1980年，蔡少堂在IEEE電路學(xué)報(bào)第27冊(cè)發(fā)布了“最先進(jìn)的動(dòng)態(tài)非線性網(wǎng)絡(luò)”論文，對(duì)憶阻器及有關(guān)非線性電路元件提出了建模理論。

1995年，惠普實(shí)驗(yàn)室在化學(xué)家Stanley Williams領(lǐng)導(dǎo)下，成立了“量子結(jié)構(gòu)研究組織”，旨在開(kāi)發(fā)分子級(jí)產(chǎn)品來(lái)代替晶體管開(kāi)關(guān)。

2002年，蔡少堂在IEEE學(xué)報(bào)第91冊(cè)發(fā)布了“納米器件的非線性電路基礎(chǔ)”論文，把憶阻器融入了他的非線性電路理論中。

2005年，IEEE為蔡少堂頒發(fā)了Gustav Robert Kirchhoff獎(jiǎng)，稱他為非線性電路理論和細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之父。

2006年，惠普公司在美國(guó)為全球首款實(shí)用憶阻器申請(qǐng)了發(fā)明專利。

2008年，惠普公司實(shí)驗(yàn)組組長(zhǎng)斯坦·威廉姆斯聲稱，他們研制出了全球第一個(gè)憶阻器?；萜諏?shí)驗(yàn)室在《自然》雜志上發(fā)布論文，對(duì)基于半導(dǎo)體中充電摻雜物漂移的憶阻器件進(jìn)行了描述，并提出了憶阻器的兩種重要應(yīng)用，即在非易失性阻性隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器(RRAM)和模仿大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電子神經(jīng)鍵中的應(yīng)用。

多年來(lái)，惠普公司一直宣稱，其憶阻器能夠同傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器進(jìn)行PK，能與閃存競(jìng)爭(zhēng)，其存儲(chǔ)密度高達(dá)每平方英寸20GB，是閃存的兩倍。

近年來(lái)，惠普公司為保持記憶元件高新科技的領(lǐng)先地位，已累積注冊(cè)了500多個(gè)憶阻器專利。

2009年，荷蘭澤尼克先進(jìn)材料研究院采用Ag/Ge2Sb2+xTe5/Mo結(jié)構(gòu)研究了Sb過(guò)剩的Ge2Sb2+xTe5薄膜的憶阻特性。

2010年，韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)報(bào)道研制了一種在PET柔性襯底上的柔性透明憶阻器；韓國(guó)光州科學(xué)技術(shù)院報(bào)道研制了一種基于柔性材料PI:PCBM的IDIR結(jié)構(gòu)柔性透明憶阻器。

2010年，位于比利時(shí)的歐洲最大獨(dú)立研究中心—?dú)W洲大學(xué)校際微電子中心(IMEC)，也開(kāi)展了憶阻器技術(shù)的研究工作。

2011年，法國(guó)著名的電子與信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(CEA-Leti)及微米與納米技術(shù)創(chuàng)新中心(Minatec)聯(lián)合組建了科學(xué)小組,深入研究HfO2薄膜中的憶阻機(jī)制。

2011年，俄羅斯科學(xué)研究院固體物理所研究了BiOx薄膜中的憶阻現(xiàn)象。

2012年，德國(guó)比勒菲爾德應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的高級(jí)物理學(xué)講師安迪·托馬斯博士及其同事制作出了一種具有學(xué)習(xí)能力的憶阻器。

2012年，英國(guó)倫敦大學(xué)(UCL)的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種新型的內(nèi)存芯片，其存儲(chǔ)速度比現(xiàn)有的閃存要快一百倍左右，耗能只有現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)閃存的千分之一，同時(shí)還擁有更大的存儲(chǔ)密度。這種新芯片是第一種純粹基于二氧化硅制造的電阻式記憶體(Resistive RAM——ReRAM)，即憶阻器芯片。

2014年，澳大利亞墨爾本皇家理工大學(xué)沙拉斯·斯利拉姆博士領(lǐng)導(dǎo)的功能材料與微系統(tǒng)研究小組，采用一種納米級(jí)的非晶鈣鈦礦氧化物薄膜材料，開(kāi)發(fā)出一種納米級(jí)超快憶阻器。這種功能性氧化物材料極薄，其厚度比人類頭發(fā)的直徑還薄1000倍，在化學(xué)上顯現(xiàn)“憶阻”效應(yīng)，其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)具有非易失性。專家聲稱，這種新型憶阻器是高穩(wěn)定高可靠的納米級(jí)存儲(chǔ)設(shè)備的核心技術(shù)，是制造人工大腦的關(guān)鍵元件。相關(guān)論文作為《先進(jìn)功能材料》雜志的封面文章，于2014年11月11日發(fā)表。

2.1.2國(guó)際憶容器[3]研發(fā)動(dòng)向

2009年，美國(guó)加州大學(xué)電子專家、臺(tái)灣新竹交通大學(xué)榮譽(yù)教授蔡少堂所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，制造出了世界第一個(gè)憶容器樣品。

蔡少棠認(rèn)為，記憶電容器可能比記憶電阻器的用途更為廣泛，因?yàn)樗鼈儧](méi)有電阻。而且從理論上講，記憶電容器在儲(chǔ)存信息時(shí)可以不消耗能量，使用它們做什么都非常方便。

2.1.3國(guó)際憶感器研發(fā)動(dòng)向

美國(guó)加州大學(xué)的蔡少堂教授，并不止步于在憶阻器、憶容器方面已經(jīng)做出的貢獻(xiàn)，他還致力于擴(kuò)展基本電路元件的新理論，不斷提出創(chuàng)新理念。他提出，如果把記憶電阻器和記憶電容器的特性綜合起來(lái)制造出的記憶電感器，將會(huì)怎樣呢？如果再把這些記憶元器件組合在一起，又會(huì)產(chǎn)生什么復(fù)雜效應(yīng)呢？等等。

他們認(rèn)為，面對(duì)如此眾多的基礎(chǔ)科學(xué)的重大疑問(wèn)，需要進(jìn)行戰(zhàn)略思考和深入研究，科學(xué)制定分步實(shí)施的計(jì)劃。但是，多方位、深層次開(kāi)發(fā)憶阻器技術(shù)，從而帶動(dòng)和啟迪各種記憶元件的研制，應(yīng)該說(shuō)是最優(yōu)先的選擇。

2.2國(guó)內(nèi)記憶元件研發(fā)動(dòng)態(tài)

2.2.1國(guó)內(nèi)憶阻器研發(fā)動(dòng)態(tài)

2009年，國(guó)際合作項(xiàng)目“憶阻器材料及其原型器件”由國(guó)家科技部立項(xiàng)啟動(dòng)，華中科技大學(xué)微電子學(xué)系主任、國(guó)家教育部長(zhǎng)江學(xué)者繆向水教授擔(dān)當(dāng)該項(xiàng)目領(lǐng)軍人。

通過(guò)不懈努力，2012年，繆向水帶領(lǐng)的研發(fā)小組取得了可喜成就，在國(guó)內(nèi)率先研發(fā)出了納米憶阻器原型，趕上了國(guó)際研發(fā)進(jìn)程。

繆向水通過(guò)深入研究，認(rèn)為憶阻器的存儲(chǔ)功能具有類似人腦的特征，它像人對(duì)強(qiáng)刺激有特定記憶一樣，其記憶也會(huì)因電流強(qiáng)度的大小而出現(xiàn)明顯差異，這種效應(yīng)為憶阻器的智能化應(yīng)用開(kāi)創(chuàng)了光明前景。

2013年3月，由華中科大領(lǐng)銜，協(xié)同清華、北大、國(guó)防科大、中科院微電子所等單位，又聯(lián)合申報(bào)了國(guó)家“973”計(jì)劃項(xiàng)目。

2009年，南京大學(xué)對(duì)Ag30Ge17Se53電介質(zhì)薄膜中的憶阻效應(yīng)進(jìn)行了深入研究。

2009年，北京大學(xué)率先提出，采用物理和化學(xué)性能穩(wěn)定的柔性小分子憶阻材料—鈦氧酞菁，可制備能反復(fù)擦寫(xiě)的柔性小分子存儲(chǔ)器件。這種器件在525K的條件下，對(duì)數(shù)據(jù)的保持時(shí)間仍然超過(guò)1小時(shí)，這是單組份小分子存儲(chǔ)器件熱穩(wěn)定性良好的見(jiàn)證。

2010年，清華大學(xué)對(duì)鎳、鈦、鋯等過(guò)渡金屬的氧化物憶阻器材料及元件工藝集成技術(shù)和相關(guān)機(jī)理模型進(jìn)行了探索。

2010年，北京大學(xué)對(duì)基于聚對(duì)二甲苯材料的聚合物憶阻器機(jī)理進(jìn)行了探討。

2011年，北京大學(xué)對(duì)Ag/Ag2S/Ag結(jié)構(gòu)下的憶阻效應(yīng)進(jìn)行了研究。

2013年，中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(籌)納米物理與器件實(shí)驗(yàn)室張廣宇研究組取得了一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)，即雖然憶阻器和電致發(fā)光器件具有截然不同的結(jié)構(gòu)和原理，但在憶阻器中可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和電致發(fā)光功能。

業(yè)界專家指出，在美國(guó)，僅僅一個(gè)惠普實(shí)驗(yàn)室，就組織了1000多名科學(xué)家群體研發(fā)憶阻器，世界各國(guó)介入此項(xiàng)研究的專家數(shù)量更是可想而知了。反觀我國(guó)，對(duì)憶阻器的研發(fā)工作，人員分散，力量不強(qiáng)，相比之下顯得勢(shì)單力孤，難以與國(guó)外抗衡。因此，國(guó)內(nèi)知名高校聯(lián)合進(jìn)行研發(fā)已是勢(shì)在必行。

放眼全球，美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的旗艦企業(yè)每年都會(huì)投入數(shù)以千萬(wàn)計(jì)的巨資進(jìn)行研發(fā)，而我國(guó)的大型電子企業(yè)卻缺少這種戰(zhàn)略遠(yuǎn)見(jiàn)，很多企業(yè)往往是等著研發(fā)單位開(kāi)發(fā)出成品后，才拿去試產(chǎn)，只有感到“對(duì)路”時(shí)才掏錢。這已成為制約研發(fā)的重要原因。

專家們估算，憶阻器的基礎(chǔ)研發(fā)工作大約需要4000萬(wàn)元，推進(jìn)到市場(chǎng)開(kāi)發(fā)階段，至少還需要投入10億元以上，這不是一般企業(yè)所能承受的，必須得到企業(yè)巨頭或者國(guó)家的大力支持才能高效地推進(jìn)研發(fā)工作。

2.2.2國(guó)內(nèi)憶感器[4]研發(fā)動(dòng)態(tài)

2014年10月1日，清華大學(xué)本科生憨家豪和宋成副研究員，在國(guó)際著名期刊ACS Nano(美國(guó)化學(xué)會(huì)納米)上發(fā)表了Realization of the meminductor(實(shí)現(xiàn)憶感器)的論文，該論文宣稱，清華大學(xué)材料學(xué)院薄膜材料團(tuán)隊(duì)在記憶電子器件領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展，他們通過(guò)利用一種新發(fā)現(xiàn)的磁電阻機(jī)制——自旋霍爾磁電阻，采用鉑/釔石榴石(Pt/YIG，Pt是一種順磁性金屬，YIG是一種鐵磁絕緣體)系統(tǒng)，首次研制出了憶感器物理模型。

具有記憶功能的憶感器，在電子電路中具有重要意義，但由于人們對(duì)其物理機(jī)制缺乏深入研究，多年來(lái)僅停留在理論層面，其物理模型難以實(shí)現(xiàn)，成為制約電路小型化、集成化的一大難題。

在憶阻器、憶容器被發(fā)現(xiàn)后，作為記憶元件家族的另一成員，憶感器的研究開(kāi)始得到重視。然而，憶感器的實(shí)現(xiàn)過(guò)程遠(yuǎn)比憶阻器復(fù)雜，因?yàn)閼涀杵髦恍枰娦盘?hào)的參與，而憶感器則有電磁轉(zhuǎn)換的本質(zhì)要求。

2013年，由于一種新的磁電阻機(jī)制——自旋霍爾磁電阻的發(fā)現(xiàn)，為憶感器的研制提供了理論基礎(chǔ)，使憶感器的問(wèn)世成為可能。自旋霍爾磁電阻效應(yīng)在Pt/YIG雙層膜體系中被發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流通過(guò)Pt時(shí)，由于自旋霍爾效應(yīng)，不同自旋取向的電子將向相反方向偏移。當(dāng)外加磁場(chǎng)使YIG的磁化方向與到達(dá)Pt/YIG界面處的電子自旋方向共線時(shí)，電子將最大程度地反射回Pt中，在反自旋霍爾效應(yīng)的作用下形成附加電流，使Pt電阻降低。

利用自旋霍爾磁電阻實(shí)現(xiàn)憶感器的關(guān)鍵，是使通過(guò)Pt的外加電流自身產(chǎn)生的磁場(chǎng)磁化YIG，從而調(diào)控附加電流。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算模擬發(fā)現(xiàn)，Pt/YIG體系具有類似于憶阻器的滯回現(xiàn)象，并能夠記憶其斷電前瞬間的電感值，從而確認(rèn)了該體系記憶電感的特性。

憶感器和憶阻器、憶容器一起，為實(shí)現(xiàn)更高效率的邏輯電路、信息存儲(chǔ)和人工智能提供了豐富的前景。

2.2.3國(guó)內(nèi)憶容器研發(fā)動(dòng)態(tài)

2014年，安徽銅陵市新泰電容電器有限責(zé)任公司電子專家孔祥新，發(fā)明了一種具有記憶功能的電容器用金屬化薄膜[5]，并申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利，為憶容器的研發(fā)提供了材料來(lái)源。

3記憶元件對(duì)電子科技的重大突破

從某種意義上說(shuō),記憶元件正在引發(fā)電子科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生一次重要變革。它將會(huì)導(dǎo)致電子領(lǐng)域的新功能取代數(shù)字時(shí)代走進(jìn)模擬處理新時(shí)代,推動(dòng)低功耗計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備及新一類能夠模擬學(xué)習(xí)、自適應(yīng)和自發(fā)行為的神經(jīng)形態(tài)器件和裝置的產(chǎn)生及應(yīng)用。

3.1延續(xù)摩爾定律

科學(xué)家們認(rèn)為，最晩到2020年左右，對(duì)于有效描述半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展規(guī)則長(zhǎng)達(dá)半個(gè)多世紀(jì)的“摩爾定律”將迎來(lái)技術(shù)極限的大考。目前，替代硅最有前途的材料是石墨烯，但究竟何種元器件能夠繼續(xù)推進(jìn)芯片的小型化和高性能化，科學(xué)家們已經(jīng)艱辛探索很長(zhǎng)時(shí)間。

20世紀(jì)60年代，美國(guó)英特爾公司創(chuàng)始者戈登·摩爾提出了著名的摩爾定律：在集成電路芯片上容納的晶體管數(shù)目，大約每隔18個(gè)月時(shí)間就會(huì)增加一倍，技術(shù)性能就會(huì)提升一倍。但是，近幾年，芯片的進(jìn)一步小型化所遇到的技術(shù)局限越來(lái)越多。由于受到物理法則和資金的限制，在傳統(tǒng)硅芯片技術(shù)上所能取得的進(jìn)步越來(lái)越小，有人認(rèn)為已經(jīng)看到了芯片技術(shù)發(fā)展之路的盡頭，芯片小型化即將止步，摩爾定律的有效期即將結(jié)束。

然而，記憶元件的出現(xiàn)，尤其是在憶阻器研制上取得的新進(jìn)展，使憶阻器成為了集成電路的增壓器，使用憶阻器部分取代晶體管的混合電路，可以大大縮小芯片的工藝尺寸，從而清除了阻止計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器微型化道路上的主要障礙，使得計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器可以繼續(xù)推進(jìn)微型化，摩爾定律也將會(huì)繼續(xù)有效。

3.2結(jié)束閃存

專家們認(rèn)為，當(dāng)前最流行的存儲(chǔ)技術(shù)將在10年內(nèi)達(dá)到體積縮小的極限。為此，世界各國(guó)競(jìng)相研發(fā)新一代存儲(chǔ)技術(shù)，爭(zhēng)奪“終結(jié)閃存”技術(shù)的制高點(diǎn)。

權(quán)威人士認(rèn)為：下一代存儲(chǔ)技術(shù)必須滿足非易失性(即斷電后保存數(shù)據(jù))、隨機(jī)存取、低功耗、高速、高可靠性、高容量和高集成度等特征。

由于相變、鐵電和磁隨機(jī)等新型存儲(chǔ)技術(shù)均各有優(yōu)劣，難以同時(shí)滿足上述所有要求。

而憶阻器作為新型電子存儲(chǔ)器，不但同時(shí)滿足上述條件，而且還與當(dāng)前CMOS制造工藝兼容，這意味著它具有更低的改造成本，充分展示出其作為下一代存儲(chǔ)器的強(qiáng)力競(jìng)爭(zhēng)性。

美國(guó)惠普公司的科學(xué)家業(yè)已證明：憶阻器具有布爾邏輯運(yùn)算功能。僅此就足以讓“憶阻器速度”成為奇跡。

惠普公司專家預(yù)計(jì)，可以同時(shí)具有運(yùn)行和存儲(chǔ)功能的憶阻器芯片可能在2015年后問(wèn)世，該芯片與閃存芯片相比，容量增大、能耗降低、速度提高，其存儲(chǔ)容量是閃存芯片的2倍多，速度快10倍，而體積與閃存芯片相比縮小7到9倍。從而使設(shè)備可以在大大縮小的空間中提供倍增的存儲(chǔ)容量，從而使設(shè)備更小，功能更強(qiáng)，成本更低，市場(chǎng)更大。

惠普公司高層曾宣稱，他們將加快憶阻器芯片產(chǎn)品商業(yè)化的步伐。

3.3替代晶體管

對(duì)憶阻器而言，不僅勢(shì)在成為“閃存終結(jié)者”，一個(gè)更大膽的設(shè)想是：接替晶體管。

對(duì)此，科學(xué)界保持了固有的謹(jǐn)慎，因?yàn)槎叩墓δ懿煌?、尺度不同、特性不同等等。但是，所有這些因素并不妨礙憶阻器取代晶體管。

其實(shí)，尋找晶體管的換代新產(chǎn)品，早已引起半導(dǎo)體工業(yè)界的高度重視。

自晶體管1947年問(wèn)世以來(lái)，工業(yè)級(jí)晶體管已從厘米級(jí)、毫米級(jí)做到了現(xiàn)在的亞微米級(jí)，60年間身形縮小了成千上萬(wàn)倍。一塊集成電路上的晶體管數(shù)量也從1971年英特爾首款CPU的2300顆暴漲到了如今的超過(guò)10億顆。

遺憾的是，晶體管很可能已沒(méi)法變得更小。理論物理學(xué)家指出，晶體管一旦小到5個(gè)硅原子的寬度(約1納米)，電子的運(yùn)行將不受控制。

然而，由惠普公司研制的用晶體管和憶阻器混合組成的3D芯片證明，以前要多個(gè)晶體管方能完成的任務(wù)，現(xiàn)在只需一個(gè)憶阻器就可勝任。

惠普公司的專家們認(rèn)為，未來(lái)憶阻器很有可能全部代替晶體管，具有動(dòng)搖整個(gè)電子工業(yè)硬件行業(yè)的潛力。

3.4開(kāi)創(chuàng)模擬存儲(chǔ)新紀(jì)元

業(yè)界權(quán)威認(rèn)為，憶阻器更具“殺手級(jí)應(yīng)用”的潛質(zhì)體現(xiàn)在模擬存儲(chǔ)領(lǐng)域。鑒于憶阻器能夠連續(xù)記憶很多阻值，所以在理論上可以達(dá)到任意精度，能夠直接實(shí)現(xiàn)模擬存儲(chǔ)。

特別是數(shù)字時(shí)代來(lái)臨，憶阻器的出現(xiàn)，為這種更接近人類信息存儲(chǔ)方式的“新生”帶來(lái)了希望。

專家聲稱：那種認(rèn)為數(shù)字一定擊敗模擬的看法，已經(jīng)過(guò)時(shí)了。有時(shí)候數(shù)字要講精確，但很多時(shí)候我們并不需要那么精確。過(guò)去模擬信號(hào)處理存儲(chǔ)難度很大，但憶阻器為突破這一困難提供了條件。

可以推測(cè)，未來(lái)很可能產(chǎn)生多個(gè)版本的憶阻器：惠普憶阻器、英特爾憶阻器、IBM憶阻器、蘋(píng)果憶阻器等，而模擬存儲(chǔ)器將是各種憶阻器大顯神威的領(lǐng)域。

3.5助推三維芯片技術(shù)取得重大突破

為了提高存儲(chǔ)密度，多年來(lái)，專家們致力于三維芯片的研發(fā)，盡管取得了一定成效，但由于受制于晶體管體積極限的制約，難以有大的突破。

而憶阻器對(duì)于晶體管而言，在相同功率下，體積可以縮小一個(gè)數(shù)量級(jí)，為推進(jìn)芯片堆疊技術(shù)創(chuàng)造了極為有利的條件。

2008年，美國(guó)惠普公司推出了世界第一個(gè)三維多層憶阻器混合芯片。該芯片使用壓印光刻技術(shù)，把一個(gè)憶阻器交叉開(kāi)關(guān)矩陣，疊加到一塊CMOS邏輯電路上，由此來(lái)實(shí)現(xiàn)FPGA中的配置，從而組成了一個(gè)晶體管與憶阻器的集成混合電路。

惠普實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出的應(yīng)用憶阻器的FPGA，為CMOS晶圓廠研制憶阻器和晶體管的三維混合集成電路芯片指明了方向。

3.6突破摩爾定律

從全球芯片技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，現(xiàn)在處于主流的生產(chǎn)技術(shù)達(dá)到20 nm工藝水平，雖然在2015年初臺(tái)灣臺(tái)積電公司已經(jīng)開(kāi)始量產(chǎn)16 nm工藝芯片，但是等到大批量被應(yīng)用到產(chǎn)品中，還需要等到2016年。據(jù)悉：美國(guó)英特爾公司和韓國(guó)三星公司已具備了14 nm工藝芯片的生產(chǎn)能力；英國(guó)ARM公司已經(jīng)開(kāi)始和臺(tái)灣臺(tái)積電公司合作，計(jì)劃在2016年開(kāi)始生產(chǎn)10 nm工藝新品。

但是，限于目前的光刻掃描儀是10 nm的水平，業(yè)界普遍認(rèn)為，半導(dǎo)體技術(shù)已逼近極限，10納米也自然成為摩爾定律的極限。

然而，憶阻器的發(fā)展，大大突破了摩爾定律的限制，由于單個(gè)憶阻器的尺寸只有3納米左右，狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間短至0.1納秒，基本與DRAM相當(dāng)。而且由于憶阻器可構(gòu)成陣列和進(jìn)行多層堆疊，把它作為存儲(chǔ)器，其容量每平方厘米可達(dá)100 GB，每立方厘米可達(dá)1000 TB。其存儲(chǔ)密度、功耗、讀寫(xiě)時(shí)間大大優(yōu)于閃存。尤其是存儲(chǔ)密度竟然能與磁性存儲(chǔ)器相媲美。

由于憶阻器只有3納米的尺寸，不僅可以突破芯片10納米的極限，而且因?yàn)樗哂型耆煌诰w管的電學(xué)特性，一個(gè)憶阻器具有10個(gè)晶體管的功率，且體積更小，故可使集成電路芯片上能夠容納的憶阻器個(gè)數(shù)及其電性能指標(biāo)，全面突破約每隔一年半時(shí)間提升一倍速度的限制。

同時(shí)，由于憶阻器不但能夠用于存儲(chǔ)，還能作二進(jìn)制布爾運(yùn)算，并有希望開(kāi)發(fā)出融存儲(chǔ)與處理于一體的新型器件，所以從理論上來(lái)講，憶阻器完全可以替代現(xiàn)在所有的數(shù)字邏輯電路。再者，由于憶阻器是無(wú)源元件，還具有節(jié)能功能。

所有這些，都充分表明，憶阻器不僅可延續(xù)摩爾定律，而且可大大突破摩爾定律。

4結(jié)語(yǔ)

當(dāng)今世界，信息化水平日益提高，而集成電路芯片技術(shù)對(duì)一個(gè)國(guó)家的電子科技水平和社會(huì)信息化程度無(wú)疑具有決定性作用，它已成為各行各業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化的基礎(chǔ)，不管是在國(guó)防軍工[6]還是在工業(yè)民用領(lǐng)域，其作用都是難以取代的。

然而，從1960年世界第一塊集成電路誕生至今，經(jīng)歷半個(gè)多世紀(jì)的高速推進(jìn)，人們忽然發(fā)現(xiàn)，芯片技術(shù)似乎已經(jīng)走到了盡頭，難以繼續(xù)進(jìn)展。正在人們?yōu)槿绾纬掷m(xù)發(fā)展無(wú)奈彷徨之際，記憶元件的問(wèn)世，為人們帶來(lái)了突破芯片技術(shù)極限，引領(lǐng)電子科技發(fā)展，推動(dòng)電子信息產(chǎn)業(yè)重崛起再輝煌的無(wú)限希望。

目前，世界各國(guó)爭(zhēng)相研發(fā)這類高新產(chǎn)品，我國(guó)也應(yīng)緊緊抓住這一千載難逢的歷史機(jī)遇，緊密跟蹤記憶元件科技前沿，精準(zhǔn)找好切入點(diǎn)，奮力搶占制高

點(diǎn)，為建設(shè)信息化強(qiáng)國(guó)、科技強(qiáng)國(guó)、軍事強(qiáng)國(guó)和經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國(guó)奠定雄基，創(chuàng)造條件。

參考文獻(xiàn)：

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于凌宇(1957—)，男，河南濮陽(yáng)人，工學(xué)學(xué)士，三級(jí)教授，主要研究方向?yàn)殡娮釉c材料；

E-mail：ylycn@126.com

劉夏飛(1985—)，男，河南焦作人，理學(xué)學(xué)士，主要研究方向?yàn)楣怆娍萍肌?/p>

Nano Memory Element to Promote The Electronic Science and Technology to Achieve a Major Breakthrough

YU Ling-yu1,LIU Xia-fei2

(1.Puyang College of engineering, Henan University;,Puyang Henan 457000,China;2.Puyang Municipal People's Air Defense Office,Puyang Henan 457000,China)

Abstract:In this paper, the connotation and working mechanism of nano memory element are described, research and development progress of memory element at home and abroad is discussed, this paper also makes in-depth analysis major breakthrough on electronic science and technology of memory element. It is instructive and helpful technologically for our country to keep up with the science and technology development of memory elements, to find the breakthrough points and to seize the leading position internationally.

Key words:Memory element;Memory resistor;Memory capacitor;Memory inductor; Research and development; breakthrough

作者簡(jiǎn)介

中圖分類號(hào)：TN60

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5692(2016)01-015-06

收稿日期：2015-11-15

修訂日期：2016-02-02

doi:10.3969/j.issn.1673-5692.2016.01.003