高科記憶元件力推知識(shí)經(jīng)濟(jì)崛起

于業(yè)麗，于凌宇

（1、中國建設(shè)銀行 濮陽分行，河南 濮陽 457000 2、河南大學(xué) 濮陽工學(xué)院，河南 濮陽 457000）

高科記憶元件力推知識(shí)經(jīng)濟(jì)崛起

于業(yè)麗1，于凌宇2

（1、中國建設(shè)銀行 濮陽分行，河南 濮陽 457000 2、河南大學(xué) 濮陽工學(xué)院，河南 濮陽 457000）

隨著信息技術(shù)快速提升，信息化與全球化迅猛推進(jìn)，人類大步跨入了知識(shí)經(jīng)濟(jì)新時(shí)代。本文簡(jiǎn)介了納米記憶元件發(fā)展概況，探討了其突破芯片技術(shù)極限，推動(dòng)信息技術(shù)進(jìn)步、信息產(chǎn)業(yè)升級(jí)和知識(shí)經(jīng)濟(jì)崛起的戰(zhàn)略意義，展望了其高新科技應(yīng)用前景。

記憶元件；憶阻器；憶容器；憶感器；信息技術(shù)；信息產(chǎn)業(yè)；知識(shí)經(jīng)濟(jì)

現(xiàn)代信息技術(shù)的高速發(fā)展，使信息化水平不斷提升，大大提高了人們處理信息的能力和利用信息的效率，加速了科技開發(fā)與信息產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的步伐，引領(lǐng)著各行各業(yè)加快了科技成果向現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化的速度，從而使知識(shí)在經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)中的貢獻(xiàn)程度空前提高。因此，知識(shí)經(jīng)濟(jì)實(shí)質(zhì)上是一種以信息產(chǎn)業(yè)為支柱產(chǎn)業(yè)，以信息技術(shù)為核心技術(shù)的全球網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)和創(chuàng)新經(jīng)濟(jì)。而芯片技術(shù)作為信息技術(shù)的關(guān)鍵，經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的高速發(fā)展，似乎已經(jīng)走到了盡頭，其發(fā)展難以為繼。正在人們?yōu)殡y之際，納米電子記憶元件的問世，使芯片技術(shù)突破了發(fā)展極限，為信息技術(shù)的推進(jìn)、信息產(chǎn)業(yè)的升級(jí)、知識(shí)經(jīng)濟(jì)的崛起帶來了無限希望。

一、納米記憶元件發(fā)展概況

納米電子記憶元件（簡(jiǎn)稱記憶元件），是近年來世界發(fā)達(dá)國家、行業(yè)巨頭不惜血本研發(fā)的一類高新電子元件。其包括憶阻器（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源基本電路元件集，為電子技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展拓展了廣闊途徑。

縱觀國際，2008年，美國惠普公司聲稱研發(fā)出了憶阻器；2009年，美國加州大學(xué)伯克利分校宣布研發(fā)出了憶容器。放眼國內(nèi)，2012年，華中科技大學(xué)聲明研發(fā)出了憶阻器；2014年，清華大學(xué)宣告研發(fā)出了憶感器；2014年，安徽銅陵市新泰電容電器有限責(zé)任公司宣稱，發(fā)明了一種具有記憶功能的電容器用金屬化薄膜，申請(qǐng)了國家發(fā)明專利，可為憶容器的研發(fā)提供材料來源。據(jù)了解，自美國惠普憶阻器原型問世以來，世界發(fā)達(dá)國家對(duì)記憶元件的研究迅速升溫，至今已有十多個(gè)國家的上百個(gè)研究機(jī)構(gòu)參與。不僅英國、德國、日本、法國、俄羅斯、韓國、澳大利亞、荷蘭、比利時(shí)等國相繼加入，就連Intel、IBM等世界工業(yè)巨頭也在美國軍方支持下砸下重金。

高效推進(jìn)記憶元件的發(fā)展，這不僅是一個(gè)技術(shù)問題，也是一個(gè)經(jīng)濟(jì)問題、應(yīng)用問題和市場(chǎng)問題，必須進(jìn)行系統(tǒng)全面的深入研究。

二、記憶元件突破電子技術(shù)極限的戰(zhàn)略意義

當(dāng)今世界，越來越多的科學(xué)家認(rèn)為，限于目前光刻掃描儀的極限水平是10納米，10納米也自然成為半導(dǎo)體芯片技術(shù)小型化的極限，最遲至2020年，見證半導(dǎo)體工業(yè)長(zhǎng)達(dá)半個(gè)世紀(jì)且隨之進(jìn)化的“摩爾定律”將迎來物理極限的大考。

目前，石墨烯被認(rèn)為是替代硅最有前途的芯片材料，但究竟哪種元器件堪當(dāng)繼續(xù)推進(jìn)芯片小型化和高性能的大任，科學(xué)家多年來一直在嘔心瀝血地艱辛探索。

近年來，高新納米記憶元件憶阻器的出現(xiàn)，給電子技術(shù)突破極限再升級(jí)帶來了新希望。因?yàn)閱蝹€(gè)憶阻器的物理尺寸小，狀態(tài)變化快，轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為0.1納秒，與DRAM相當(dāng)。并且憶阻器可制成陣列和多層堆疊，如將其作為存儲(chǔ)，每平方厘米容量可達(dá)100GB，每立方厘米容量可達(dá)1000 TB。若作為存儲(chǔ)器，其存儲(chǔ)密度、功耗、讀寫時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過閃存。而存儲(chǔ)密度甚至可與磁性存儲(chǔ)器相媲美。正是由于憶阻器只有3納米的尺寸，大大突破了芯片10納米的極限，為芯片的小型化延伸了發(fā)展極限，從而延長(zhǎng)了摩爾定律的適用期。另外，由于它還具有完全不同于晶體管的電學(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，故可使集成電路上可容納的憶阻器數(shù)目及其技術(shù)性能大大突破約每隔18個(gè)月提升一倍速度的限制。同時(shí)，憶阻器不僅能用于存儲(chǔ)，還能進(jìn)行二進(jìn)制布爾運(yùn)算，有望開發(fā)出容存儲(chǔ)與處理于一體的新型器件，理論上憶阻器可以完全替代現(xiàn)在所有的數(shù)字邏輯電路。再者，憶阻器由于是無源元件，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)摩爾定律的適用期，而且可大大突破摩爾定律所界定的性能提升速度和性能類別。

隨著憶阻器生產(chǎn)技術(shù)的日趨完善、成熟和改進(jìn)，再加上憶容器和憶感器的組合應(yīng)用，必將為電子技術(shù)的不斷突破、信息產(chǎn)業(yè)的加速升級(jí)、知識(shí)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展提供強(qiáng)勁動(dòng)力。

三、記憶元件應(yīng)用前景誘人

記憶元件的應(yīng)用前景非常廣闊，將來很可能讓目前的存儲(chǔ)器同時(shí)具備CPU功能，成為不需要主屏的單一電腦，將計(jì)算機(jī)提速的瓶頸完全打破。它在非易失性存儲(chǔ)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、混沌電路、邏輯運(yùn)算及信號(hào)處理等領(lǐng)域都具有很大的應(yīng)用潛力。

1、有望制成更快更節(jié)能的即開即關(guān)型電腦

憶阻器最簡(jiǎn)單的應(yīng)用就是構(gòu)造新型的非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器（RRAM），補(bǔ)充并最終替代傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM），或當(dāng)計(jì)算機(jī)關(guān)閉后不會(huì)忘記它們?cè)?jīng)所處的能量狀態(tài)的存儲(chǔ)芯片。研究人員稱，今天的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器所面臨的最大問題是，當(dāng)你關(guān)閉電腦電源時(shí)，動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器就忘記了那里曾有過什么，所以下次打開計(jì)算機(jī)電源，你就必須坐在那兒等到所有需要運(yùn)行計(jì)算機(jī)的東西都從硬盤裝入到動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。而有了基于非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器部件的計(jì)算機(jī)，這個(gè)過程將是瞬間的和節(jié)能的，并且你的電腦會(huì)回到你關(guān)閉時(shí)的相同狀態(tài)。

設(shè)想這一功能應(yīng)用在你的筆記本電腦中，當(dāng)你突然拔出電池，或者電池突然無電，或者外接電源因故突然停電，或者因疏忽或急事直接關(guān)閉電源，但沒有保存文檔，沒有正常退出程序時(shí)，你也不會(huì)失去任何東西。當(dāng)你重新放回電池，或者電池充電，或者重啟電源后，筆記本屏幕將立即恢復(fù)原樣，沒有冗長(zhǎng)的重啟動(dòng)，沒有任何的文件恢復(fù)操作，從而大大節(jié)約了能源，提高了工作效率。

2、在云計(jì)算中大顯神威

憶阻器這一功能還會(huì)在“云計(jì)算”應(yīng)用中發(fā)揮更加重要的作用。由于“云計(jì)算”應(yīng)用現(xiàn)已在IT基礎(chǔ)設(shè)施中越來越盛行，它使用成千上萬臺(tái)服務(wù)器和存儲(chǔ)器系統(tǒng)，這些系統(tǒng)需要大量的電能以存儲(chǔ)、重新獲取以及保護(hù)數(shù)以百萬計(jì)的全球互聯(lián)網(wǎng)用戶的信息，使用基于憶阻器的非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器后，將極大地提高工作效率和節(jié)約能源。

3、可廣泛應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦、攝像機(jī)等數(shù)碼設(shè)備

專家聲稱，采用憶阻器芯片可讓手機(jī)在使用數(shù)周或更久時(shí)間后無需充電，也可使筆記本電腦在電池電量耗盡后很久仍能保存信息。憶阻器也有望挑戰(zhàn)目前攝像機(jī)等數(shù)碼設(shè)備中普遍使用的閃存功能，因?yàn)樗哂嘘P(guān)閉電源后仍可保存信息的能力。利用這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)制成的芯片，由于比目前的閃存可更快地保存信息，消耗更少的電力，占用更少的空間，從而也有利于數(shù)碼設(shè)備的小型化。

4、可使換代計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)化架構(gòu)、提高功能、縮小體積、減輕重量

2014年6月，惠普公司CEO惠特曼聲稱，年內(nèi)將啟動(dòng)惠普機(jī)器計(jì)劃，即從零開始，建立起一種嶄新的計(jì)算方式，構(gòu)建全新的計(jì)算機(jī)架構(gòu)。據(jù)悉，惠普機(jī)器主要由憶阻器存儲(chǔ)、硅光子通信、專用處理器和定制化操作系統(tǒng)構(gòu)成，而最具革命性創(chuàng)新的核心技術(shù)在于憶阻器。

5、可應(yīng)用于智能化類人電腦

據(jù)國外媒體報(bào)道，長(zhǎng)久以來，科學(xué)家一直夢(mèng)想著能造出像大腦一樣的電腦。這是因?yàn)榇竽X比電腦更加節(jié)能，而且還會(huì)自主學(xué)習(xí)，不需要任何編程。美國加州大學(xué)圣迭戈分校的電腦專家DiVentra，通過多年研究已經(jīng)證明，單細(xì)胞和多細(xì)胞生物體中均存在微小的憶阻組件。他還利用憶阻器解釋了變形蟲的生理學(xué)習(xí)機(jī)制，即通過一個(gè)LC回路和憶阻器來解釋變形蟲如何學(xué)習(xí)改變它們的行為。由于憶阻器的行為機(jī)制類似于人腦神經(jīng)元和突觸，因此可應(yīng)用于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使得電腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更能接近人腦，從而實(shí)現(xiàn)類腦系統(tǒng)。

6、可應(yīng)用于3D互聯(lián)網(wǎng)

記憶電阻器芯片將催生3D互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的問世。與目前的芯片設(shè)備相比，采用記憶電阻器芯片的設(shè)備將有很大不同之處，首先是尺寸更小，其次是可以產(chǎn)生更真實(shí)的視覺體驗(yàn)。這是因?yàn)樗鼈兙哂谐匠叽绲奶幚砟芰?，生成?nèi)容的速度極快，虛擬體驗(yàn)的逼真度極高。

7、可應(yīng)用于相變存儲(chǔ)器

在芯片的研發(fā)上，除了在現(xiàn)有技術(shù)上繼續(xù)走小型化的路線外，有些公司也另辟蹊徑，研發(fā)其他富有競(jìng)爭(zhēng)力的存儲(chǔ)新技術(shù)。比如，IBM公司和英特爾公司正在殫精竭慮利用憶阻器來研發(fā)相變存儲(chǔ)器（PCM）。專家們認(rèn)為，相變存儲(chǔ)器是憶阻器很有前途的研發(fā)方向，因其具有高存取速度、高容量、非易失性、工藝簡(jiǎn)單和多值化前景好等諸多優(yōu)勢(shì)，將會(huì)逐步取代閃存、磁盤等。

8、可應(yīng)用于固態(tài)硬盤

記憶變阻器可以為固態(tài)硬盤提供更加小型而快速的元件。而且由于越來越小的記憶變阻器應(yīng)用于晶體管中，這些儲(chǔ)存設(shè)備可能要比DRAM的價(jià)格還要低。

9、可廣泛應(yīng)用于科技、軍事、工業(yè)、醫(yī)療、家電等眾多領(lǐng)域

憶阻器能夠?yàn)樾酒瑤碇T多發(fā)展空間，不僅適用于科技、軍事、工業(yè)等領(lǐng)域，還可應(yīng)用于監(jiān)測(cè)血糖和心跳等用途的醫(yī)療領(lǐng)域，應(yīng)用于智能相機(jī)、智能電視、智能空調(diào)、智能冰箱、智能微波爐、智能洗衣機(jī)等眾多家電領(lǐng)域。

[1]李超輩：基于記憶元件的突觸電路研究[D].重慶大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，2013.

[2]記憶電阻器[DB/OL].中國百科網(wǎng)主頁/電子元器件/電阻器http：//www.chinabaike.com/t/30888/2015/1005/3450673.html，2015-10-05.

[3]方陵生：記憶電阻器與人工智能[J].世界科學(xué)，2009（10）.

[4]我院本科生在ACS Nano撰文報(bào)道記憶電感器件[EB/OL].清華大學(xué)材料學(xué)院網(wǎng)主頁/重要新聞http：//www.tsinghua.edu. cn/publish/mse/142/2014/20141008110033278970243/20141008 11003327897 0243_.html，2014-10-12.

[5]孔祥新：一種具有記憶功能的電容器金屬化薄膜[P].CN 104 312007 A，2015-01-28.

（責(zé)任編輯：張瓊芳）