2008年5月1日,熟悉电子产品的人都知道三位一体的基本组件:电阻器、电容器、电感器。1971年,加州大学伯克利分校的工程师预测,应该有第四个元素:记忆电阻器,或记忆电阻。但没有人知道如何构建一个。37年后的今天,电子终于变得足够小,揭示的秘密第四元素。忆阻器,惠普(hewlett - packard)的研究人员在《华尔街日报》今天透露自然,一直藏在眼皮底下——在某些纳米设备的电特性。他们认为新元素可以为应用程序铺平道路,far-term附近,从非易失性RAM现实的神经网络。
忆阻器的故事开始近四年前突然闪过的洞察力,IEEE研究员、nonlinear-circuit-theory先锋莱昂蔡。研究电荷和磁通量之间的关系在电阻、电容器、电感在1971年的一篇论文中,蔡假定存在的第四个元素称为记忆电阻器。他认为,这种装置将提供一个类似的磁通量和费用之间的关系,电压和电流之间的电阻给。在实践中,这意味着它像一个电阻器,其价值可以根据当前通过不同,从而记住,即使当前价值消失了。
但是假设设备主要是作为数学调情。三十年后,惠普高级研究员斯坦利·威廉姆斯和他的团队正致力于分子电子学当他们开始注意到奇怪的行为在他们的设备。“他们做的很时髦的东西,我们无法弄清是怎么回事,”威廉姆斯说。然后他的惠普合作伙伴格雷格·斯奈德重新发现蔡的工作从1971年。“他说,‘嘿,伙计们,我不知道我们有什么,但这就是我们想要’,”威廉姆斯回忆道。威廉姆斯多年阅读和重读蔡的论文。“这是几年的抓我的头和思考。“然后威廉姆斯意识到它们的分子设备真的记忆电阻器。“这之间就击中了我的眼睛。”
忆阻器的原因,从根本上不同于其他基本电路元素是,与它们不同,它有它的过去的记忆。当你关掉电压的电路,忆阻器还记得多少应用之前和多长时间。产生影响,不能被复制的任何电路组合电阻,电容,电感,这就是为什么记忆电阻有资格成为基本的电路元件。
经典类比电阻器是管通过水(电)。管的宽度是类似于电流的流动的阻力——窄管,电阻越大。普通电阻有一个不变的管道尺寸。忆阻器,另一方面,随着水量变化推动。如果你在一个方向推水通过管道,管道变大(电阻)。如果你在另一个方向,推动水管道变小(电阻)。和记忆电阻回忆说。当水流是关闭的,管大小不会改变。
这种机制可以使用晶体管和电容器技术被复制,但是,威廉姆斯说,“它需要大量的晶体管和电容器做一个记忆电阻的工作。”
记忆电阻的内存有后果:电脑要重启的原因每次他们打开他们的逻辑电路是无法保持权力关闭后位。但因为记忆电阻可以记住电压,memristor-driven电脑可能不需要重新启动。“你可以把你所有的文字文件和电子表格打开,关掉你的电脑,然后去喝杯咖啡或去度假两周,”威廉姆斯说。“当你回来,你打开你的电脑,一切都是在屏幕上立刻到底你离开的方式。”
蔡推导出记忆电阻器的存在从数学电路元素之间的关系。四个电路数量(电荷、电流、电压和磁通)可以在六个方面彼此相关。覆盖的两个量是基本的物理定律,三是由已知的电路元件(电阻、电容和电感器),哥伦比亚大学的电子工程教授David Vallancourt说。这使得一个可能的关系下落不明。基于这一认识,蔡女士提出了忆阻器的纯粹数学美学,作为一类电路元件基于电荷和磁通量之间的关系。
蔡称惠普的工作模式转变;他把记忆电阻的电路设计阿森纳来添加一个新的元素周期表:一方面,“现在所有的EE教科书需要改变,”他说。
为什么没有任何人见过记忆吗?蔡实际上产生了忆阻器在1970年代一个不切实际的电阻、电容器、电感器、放大器的概念。但记忆材料的性质是,直到最近,太微妙的利用。它被其他影响淹没,直到你看材料和设备,仅仅是纳米大小。
没有人竭尽全力寻找记忆,。没有一个应用程序,没有必要。没有工程师说,“如果我们只有一个忆阻器,我们可以做X,“Vallancourt说。事实上,Vallancourt,电路设计教学多年,从未听说过在本周记忆电阻。
“现在所有需要更改EE教科书”
ieee基尔霍夫奖得主莱昂发现memresistor蔡。
但尺度越小的设备的科学家和工程师们一起工作,更多的设备开始的行为假定的“忆”效应,蔡美儿说,他现在是伯克利的资深教授。
有线索记忆电阻的存在。“人被报道有趣的电流电压特性的文献50年来,”威廉姆斯说。“我去这些旧报纸,看着这些数字,说,“是的,他们有记忆,他们不知道如何解释它。’”
“没有蔡的电路方程,你不能利用这个设备,”威廉姆斯说。“这是一个时髦的事情。人们使用各种错误的电路方程。它就像一台洗衣机电机,把它变成一个汽油车,想知道为什么它不会跑。”
威廉姆斯发现理想的忆阻器在二氧化钛——白漆的东西和防晒霜。像硅,二氧化钛(TiO2)是一种半导体,在纯态电阻。然而,它可以掺杂其他元素使其导电。在TiO2掺杂物,不要在高电场保持静止;他们倾向于在电流的方向漂移。晶体管这样的迁移是毒药,但事实证明,正是忆阻器的工作。把一个偏置电压TiO的薄膜2半导体的掺杂物只有一方面使他们进入纯TiO2另一方面,从而降低了阻力。目前运行在另一个方向将推动掺杂物回地方,增加TiO2的阻力。
惠普实验室目前正在从TiO如何制造记忆电阻器2和其他材料,找出背后的物理学。他们也有一个电路组工作如何记忆电阻器和硅电路集成在同一芯片。惠普集团混合硅CMOS记忆电阻芯片”坐在芯片测试人员现在在我们的实验室,”威廉姆斯说。
电路设计的影响可能是利基。“这将需要大量的开发工作,”哥伦比亚的Vallancourt说。应用程序必须确定记忆电阻的独特性提供可能性未被今天的组件。
威廉姆斯正与一些神经科学/工程实验室,在追求建筑设备,模拟神经系统的目标。蔡说,突触,神经元之间的联系,有一些记忆性的行为。因此,忆阻器是理想的电子设备来模拟一个突触。
通过重新设计某些类型的电路包括记忆电阻器,威廉姆斯预计将获得相同的功能用更少的组件,使电路本身更便宜,大大减少了能耗。事实上,他希望与传统电路设计元素结合记忆电阻器生产设备non-Boolean的方式计算。“我们不会说,我们要建立一个大脑,但我们想要的东西计算像大脑,”威廉姆斯说。他们认为他们可以抽象本质上是“整个突触的想法”模拟计算在一个有效的方式。“有些事情永远将数字计算机,模拟计算机就的微风,”他说。
惠普集团也在考虑开发一个memristor-based非易失性内存。“基于记忆电阻器的记忆可能是1000倍的速度比磁磁盘和使用更少的电能,”威廉姆斯说,听起来像一个孩子在糖果店。
蔡美儿认为非易失存储器是最近期的应用程序。“我很高兴,这是一个突破,”他说。“现实情况是,在纳米尺度上,这种效应就会占据主导地位,你会发现它不管你喜欢还是不喜欢。我很高兴我可以指出人们在正确的方向上。”
