忆阻器

忆阻器
忆阻器
	国家能源技术实验室研制的忆阻器
类型	被动
工作原理	忆阻
发明	蔡少棠教授（1971年）
投产年	HP Labs (2008年)
电路符号

忆阻器（memristor）又名记忆电阻（memory resistor 的混成词），是一种被动电子元件。如同电阻器，忆阻器能产生并维持一股安全的电流通过某个装置。但是与电阻器不同的地方在于，忆阻器可以在关掉电源后，仍能“记忆”先前通过的电荷量。两组的忆阻器更能产生与晶体管相同的功能，但更为细小。最初于1971年，加州大学伯克利分校的蔡少棠教授根据电子学理论，预测到在电阻器、电容器及电感元件之外，还存在电路的第四种基本元件，即是忆阻器^[1]^[2]。目前正在开发忆阻器的团队包括惠普、SK海力士、HRL实验室（英语：HRL Laboratories）。

之后从2000年始，研究人员在多种二元金属氧化物和钙钛矿结构的薄膜中发现了电场作用下的电阻变化，并应用到了下一代非挥发性记忆体-阻抗存储器（RRAM 或 ReRAM）中^[3]^[4]^[5]^[6]^[7]。2008年4月，惠普公司公布了基于TiO₂的RRAM器件，并首先将RRAM和忆阻器联系起来^[8]^[9]^[10]^[11]。但目前仍然有专家认为，这些实作出的电路，并不是真正的忆阻器。

背景

在蔡少棠教授1971年的论文中，他外推了对称的非线性电阻（电压与电流），非线性电容器（电压与电荷），和非线性电感（磁通量与电流）之间的概念，并推断出忆阻器作为一个类似于基本的非线性电路元件的，连接磁链和电荷。对比线性（或非线性）的电阻，忆阻器有一个动态的包括过去的电压或电流的记忆的电流和电压之间的关系。其他科学家已经提出动态记忆电阻器，例如伯纳德建模的存储电阻器（英语：Memistor），但是，蔡试图引进数学一般性。

忆阻器的定义和批评

理论

在忆阻器中，磁通量（ $\Phi _{\mathrm {B} }$ ）受到累积的电荷（q）所影响。磁通量按电荷的改变率称之为“忆阻值”^[12]：

M(q)={\frac {\mathrm {d} \Phi _{\mathrm {B} }}{\mathrm {d} q}}

故此忆阻值可以与其余三种基本的电子元件作出比较：

电阻： $R(I)={\frac {\mathrm {d} V}{\mathrm {d} I}}$
电感： $L(I)={\frac {\mathrm {d} \Phi _{\mathrm {B} }}{\mathrm {d} I}}$
电容： ${\frac {1}{C(q)}}={\frac {\mathrm {d} V}{\mathrm {d} q}}$

当中 $q$ 是电荷； $I$ 是电流； $V$ 是电压；而 $\Phi _{\mathrm {B} }$ 则是磁通量。

根据法拉第电磁感应定律及复合函数求导法则，可见忆阻器的电压V是与电流I及忆阻值的积有关：

V(t)=M(q(t))I(t)\,

由此可见，忆阻器可以成为一个电阻器。但是“电阻”的M(q)会随累积的电荷而改变。忆阻值可以说是随流经忆阻器的电流历史所改变，彷如在电容器的电压一般。

忆阻器的行为是类似的其他三个基本组成部分。

	电荷( $q$ )	电流( $I$ )
电压( $U$ )	电容(倒数) ${\frac {1}{C}}={\frac {\mathrm {d} U}{\mathrm {d} q}}={\frac {\mathrm {d} {\dot {\Phi }}}{\mathrm {d} q}}$	电阻率 $R={\frac {\mathrm {d} U}{\mathrm {d} I}}={\frac {\mathrm {d} {\dot {\Phi }}}{\mathrm {d} {\dot {q}}}}$
磁通量( $\Phi$ )	忆阻器 $M={\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} q}}$	电感 $L={\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} I}}={\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} {\dot {q}}}}$

实现

Intel与Micron联合研发的3D XPoint。（Intel表示所用并不是ReRAM，根据推断，为相变存储器的可能性更大，此条消息存疑。）厂商表示，此技术的密度是DRAM的十倍、速度是NAND的千倍、写入次数为10,000,000次。

潜在应用

威廉姆斯（英语：Richard Stanley Williams）的固态的忆阻器可以组合成所谓交叉开关锁存器（英语：Crossbar latch）的设备，这可能会取代晶体管建造未来的电脑，占用面积小得多。

种类

电化电池

忆阻器具有电化电池表现的特征。^[13]

固态

2007年惠普公司资讯与量子系统实验室的研究人员在理查德·斯坦利·威廉姆斯（英语：Richard Stanley Williams）的领导下成功研制了固态的忆阻器^[14]^[15]^[16]－它是由一片双层的二氧化钛薄膜所形成，当电流通过时，其电阻值就会改变。固态的忆阻器的制造需要涉及物料的纳米技术。这个忆阻器并不像其理论般涉及磁通量，或如电容器般储存电荷，而是以化学技术来达至电阻随电流历史改变的性质。

不过，三星集团却有一项正申请专利的忆阻器，采用了类似惠普公司的技术。故此谁是忆阻器的创始人则有待澄清。^[17]

目前(2008)惠普公司是以两层二氧化钛薄膜来制作忆阻器元件^[18] ，其中一层掺杂。^[19]

可能应用

其元件特性，适合模拟神经元突触的部分运作，使得电脑神经网络制作上更能接近人脑。^[19]

威廉姆斯的固态忆阻器可以组合成晶体管，尽管小得多。They can also be fashioned into non-volatile solid-state memory, which would allow greater data density than hard drives with access times potentially similar to DRAM, replacing both components.^[20] HP has reported that its version of the memristor is about 10 times slower than DRAM [1] （页面存档备份，存于互联网档案馆）.

Some patents related to memristors appear to include applications in programmable logic,^[21] signal processing,^[22] neural networks,^[23] and control systems.^[24]

参考

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外部链接

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（英文）Nature News - Found: the missing circuit element （页面存档备份，存于互联网档案馆） 30 Apr 2008
（英文）Wired.com - Scientists Create First Memristor: Missing Fourth Electronic Circuit Element （页面存档备份，存于互联网档案馆） 30 Apr 2008
（英文）EE Times - 'Missing link' memristor created: Rewrite the textbooks?^{[永久失效链接]} 30 April 2008
（英文）EE Times - End of the CPU? HP demos configurable memristor 09 April 2010
（英文）忆阻器(Memristor)研究简述（页面存档备份，存于互联网档案馆） 27 Dec 2010
（英文）视频：寻找失踪的忆阻器|斯坦福大学（2012）（页面存档备份，存于互联网档案馆）
（英文）科学论文忆阻器的链接（页面存档备份，存于互联网档案馆） 08 August 2013

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[4] B. J. Choi, D. S. Jeong, S. K. Kim, C. Rohde, S. Choi, J. H. Oh, H. J. Kim, C. S. Hwang, K. Szot, R. Waser, B. Reichenberg, and S. Tiedke, J. Appl. Phys. 98, 033715 (2005).

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[6] A. Beck, J. G. Bednorz, Ch. Gerber, C. Rossel, and D. Widmer, Appl. Phys. Lett. 77, 139 (2000).

[7] W. Shen, R. Dittmann, U. Breuer, and R. Waser, Appl. Phys. Lett. 93, 222102 (2008).

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[9] 'Missing link' memristor created. EETimes. 2008-04-30 [2008-04-30]. （原始内容存档于2012-03-05）.

[10] Marks, Paul. Engineers find 'missing link' of electronics. New Scientist. 2008-04-30 [2008-04-30]. （原始内容存档于2008-05-01）.

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[13] Chen W-K. Circuit Elements, Modeling, and Equation Formulation. The Circuits and Filters Handbook 2nd ed. CRC Press 2003. ISBN 0-8493-0912-3.

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查论编电磁学
静电学	电电荷电场摩擦起电效应静电放电闪电电晕放电尖端放电静电感应静电吸附静电屏蔽库仑定律高斯定律电通量电势能电偶极矩电极化电位移
静磁学	磁安培定律磁场磁感应强度磁场强度磁化强度磁通量毕奥-萨伐尔定律磁矩高斯磁定律磁矢势
电学	电路电流电势电压电阻绝缘体半导体导体超导体欧姆定律串联电路并联电路直流电交流电带电流电动势电容电感阻抗电导波导忆阻器基尔霍夫电路定律
电现象	压电效应压阻效应热电效应光电效应电致发光中高层大气放电
电动力学	洛伦兹力霍尔效应电磁干扰法拉第电磁感应定律楞次定律位移电流马克士威方程组电磁场电磁波马克士威应力张量坡印廷向量黎纳-维谢势杰斐缅柯方程式涡电流伦敦方程推迟势自由空间协变表述电磁张量四维电流密度电磁应力-能量张量四维势
发展史	电荷守恒定律库仑定律伏打电堆伽伐尼电池安培定律欧姆定律电磁感应马克士威方程组基尔霍夫电路定律戴维南定理电磁波电子自旋

查论编电子元件
半导体器件	晶体管四极晶体管（英语：Tetrode transistor）五极晶体管（英语：Pentode transistor）电解存储器（英语：Memistor）忆阻器双极性晶体管（BJT）多闸极晶体管鳍式场效晶体管互补式金属氧化物半导体金属氧化物半导体场效晶体管（MOSFET）接面场效晶体管（JFET）场效应管（FET）量子线路定电流二极管（英语：Constant-current diode）（CLD、CRD）达灵顿晶体管触发二极管（英语：DIAC）二极管 Heterostructure barrier varactor（英语：Heterostructure barrier varactor）绝缘栅双极晶体管（IGBT）集成电路（IC）发光二极管（LED）光感测器光电二极管 PIN型二极管肖特基二极管硅控整流器（SCR）晶闸管雪崩二极管双向晶闸管单接合面晶体管（UJT）变容二极管齐纳二极管
稳压器	线性电压调节器低压差稳压器开关稳压器降压变换器升压变换器降压-升压变换器 Split-pi Ćuk变换器 SEPIC变换器电荷泵开关电容
真空管	橡实管（英语：Acorn tube）三极真空管（英语：Audion）束射四极管（英语：Beam tetrode）热线检流计（英语：Hot wire barretter）紧密管（英语：Compactron）真空二极管弗莱明管（英语：Fleming valve）九极管（英语：Nonode）小型抗震管（英语：Nuvistor）五栅变频管（英语：Pentagrid converter）（六极管、七极管、八极管）五极管光电倍增管光电管四极管三极管
真空管（RF）	后进波振荡器（英语：Backward-wave oscillator）（BWO）多腔磁控管交叉场放大器（英语：Crossed-field amplifier）（CFA）回旋管感应输出管（英语：Inductive output tube）（IOT）调速管（英语：Klystron）激微波回复式调速管（英语：Sutton tube）行波管（TWT）
阴极射线管	电子束偏转管（英语：Beam deflection tube）显像管光电摄像管（英语：Iconoscope）幻眼管单像管（英语：Monoscope）选数管储存管（英语：Storage tube）多级电子计数管摄像管威廉姆斯管
充气管（英语：Gas-filled tube）	冷阴极荧光灯管 Crossatron（英语：Crossatron）冷阴极计数管引燃管弧光放电充气管（英语：Krytron）汞弧阀氖灯数码管闸流管（英语：Thyratron）触发管（英语：Trigatron）调压管（英语：Voltage-regulator tube）
可变式元件	电位器数位式可变电容器变容二极管
被动元件	连接器音频与视频（英语：Audio and video interfaces and connectors）电源 RF 电解检测器（英语：Electrolytic detector）铁氧体磁芯保险丝可复式保险丝电阻器开关热敏电阻变压器压敏电阻金属线弗拉斯顿线（英语：Wollaston wire）
电抗	电容器陶瓷谐振器（英语：Ceramic resonator）晶体振荡器电感元件变抗管（英语：Parametron）继电器舌簧继电器（英语：reed relay）水银开关

背景

忆阻器的定义和批评

理论

实现

潜在应用

种类

电化电池

固态

可能应用

相关项目

参考

外部链接