高科記憶元件力推知識經濟崛起

于業麗，于凌宇

（1、中國建設銀行 濮陽分行，河南 濮陽 457000 2、河南大學 濮陽工學院，河南 濮陽 457000）

高科記憶元件力推知識經濟崛起

于業麗1，于凌宇2

（1、中國建設銀行 濮陽分行，河南 濮陽 457000 2、河南大學 濮陽工學院，河南 濮陽 457000）

隨著信息技術快速提升，信息化與全球化迅猛推進，人類大步跨入了知識經濟新時代。本文簡介了納米記憶元件發展概況，探討了其突破芯片技術極限，推動信息技術進步、信息產業升級和知識經濟崛起的戰略意義，展望了其高新科技應用前景。

記憶元件；憶阻器；憶容器；憶感器；信息技術；信息產業；知識經濟

現代信息技術的高速發展，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，加速了科技開發與信息產業創新的步伐，引領著各行各業加快了科技成果向現實生產力轉化的速度，從而使知識在經濟增長中的貢獻程度空前提高。因此，知識經濟實質上是一種以信息產業為支柱產業，以信息技術為核心技術的全球網絡經濟和創新經濟。而芯片技術作為信息技術的關鍵，經過半個多世紀的高速發展，似乎已經走到了盡頭，其發展難以為繼。正在人們為難之際，納米電子記憶元件的問世，使芯片技術突破了發展極限，為信息技術的推進、信息產業的升級、知識經濟的崛起帶來了無限希望。

一、納米記憶元件發展概況

納米電子記憶元件（簡稱記憶元件），是近年來世界發達國家、行業巨頭不惜血本研發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）。

在傳統電路中，電路的基本元件只有三種無源元件，即電阻器（R，簡稱電阻）、電容器（C，簡稱電容）、電感器（L，簡稱電感）。而在現代電路中，由于三種無源記憶元件的出現，電路的基本元件將擴充至六種，從而組成了完備的無源基本電路元件集，為電子技術的創新發展拓展了廣闊途徑。

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

高效推進記憶元件的發展，這不僅是一個技術問題，也是一個經濟問題、應用問題和市場問題，必須進行系統全面的深入研究。

二、記憶元件突破電子技術極限的戰略意義

當今世界，越來越多的科學家認為，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體芯片技術小型化的極限，最遲至2020年，見證半導體工業長達半個世紀且隨之進化的“摩爾定律”將迎來物理極限的大考。

目前，石墨烯被認為是替代硅最有前途的芯片材料，但究竟哪種元器件堪當繼續推進芯片小型化和高性能的大任，科學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，給電子技術突破極限再升級帶來了新希望。因為單個憶阻器的物理尺寸小，狀態變化快，轉換時間僅為0.1納秒，與DRAM相當。并且憶阻器可制成陣列和多層堆疊，如將其作為存儲，每平方厘米容量可達100GB，每立方厘米容量可達1000 TB。若作為存儲器，其存儲密度、功耗、讀寫時間遠遠勝過閃存。而存儲密度甚至可與磁性存儲器相媲美。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展極限，從而延長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特性，一個憶阻器具有10個晶體管的功率，且體積更小，故可使集成電路上可容納的憶阻器數目及其技術性能大大突破約每隔18個月提升一倍速度的限制。同時，憶阻器不僅能用于存儲，還能進行二進制布爾運算，有望開發出容存儲與處理于一體的新型器件，理論上憶阻器可以完全替代現在所有的數字邏輯電路。再者，憶阻器由于是無源元件，還具有節能功能。所有這些，都充分表明，憶阻器不僅可延續摩爾定律的適用期，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。

隨著憶阻器生產技術的日趨完善、成熟和改進，再加上憶容器和憶感器的組合應用，必將為電子技術的不斷突破、信息產業的加速升級、知識經濟的快速發展提供強勁動力。

三、記憶元件應用前景誘人

記憶元件的應用前景非常廣闊，將來很可能讓目前的存儲器同時具備CPU功能，成為不需要主屏的單一電腦，將計算機提速的瓶頸完全打破。它在非易失性存儲、人工神經網絡、混沌電路、邏輯運算及信號處理等領域都具有很大的應用潛力。

1、有望制成更快更節能的即開即關型電腦

憶阻器最簡單的應用就是構造新型的非易失性隨機存儲器（RRAM），補充并最終替代傳統的動態隨機存儲器（DRAM），或當計算機關閉后不會忘記它們曾經所處的能量狀態的存儲芯片。研究人員稱，今天的動態隨機存儲器所面臨的最大問題是，當你關閉電腦電源時，動態隨機存儲器就忘記了那里曾有過什么，所以下次打開計算機電源，你就必須坐在那兒等到所有需要運行計算機的東西都從硬盤裝入到動態隨機存儲器。而有了基于非易失性隨機存儲器部件的計算機，這個過程將是瞬間的和節能的，并且你的電腦會回到你關閉時的相同狀態。

設想這一功能應用在你的筆記本電腦中，當你突然拔出電池，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閉電源，但沒有保存文檔，沒有正常退出程序時，你也不會失去任何東西。當你重新放回電池，或者電池充電，或者重啟電源后，筆記本屏幕將立即恢復原樣，沒有冗長的重啟動，沒有任何的文件恢復操作，從而大大節約了能源，提高了工作效率。

2、在云計算中大顯神威

憶阻器這一功能還會在“云計算”應用中發揮更加重要的作用。由于“云計算”應用現已在IT基礎設施中越來越盛行，它使用成千上萬臺服務器和存儲器系統，這些系統需要大量的電能以存儲、重新獲取以及保護數以百萬計的全球互聯網用戶的信息，使用基于憶阻器的非易失性隨機存儲器后，將極大地提高工作效率和節約能源。

3、可廣泛應用于手機、筆記本電腦、攝像機等數碼設備

專家聲稱，采用憶阻器芯片可讓手機在使用數周或更久時間后無需充電，也可使筆記本電腦在電池電量耗盡后很久仍能保存信息。憶阻器也有望挑戰目前攝像機等數碼設備中普遍使用的閃存功能，因為它具有關閉電源后仍可保存信息的能力。利用這項新發現制成的芯片，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，從而也有利于數碼設備的小型化。

4、可使換代計算機簡化架構、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，年內將啟動惠普機器計劃，即從零開始，建立起一種嶄新的計算方式，構建全新的計算機架構。據悉，惠普機器主要由憶阻器存儲、硅光子通信、專用處理器和定制化操作系統構成，而最具革命性創新的核心技術在于憶阻器。

5、可應用于智能化類人電腦

據國外媒體報道，長久以來，科學家一直夢想著能造出像大腦一樣的電腦。這是因為大腦比電腦更加節能，而且還會自主學習，不需要任何編程。美國加州大學圣迭戈分校的電腦專家DiVentra，通過多年研究已經證明，單細胞和多細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習機制，即通過一個LC回路和憶阻器來解釋變形蟲如何學習改變它們的行為。由于憶阻器的行為機制類似于人腦神經元和突觸，因此可應用于人工神經網絡，使得電腦神經網絡更能接近人腦，從而實現類腦系統。

6、可應用于3D互聯網

記憶電阻器芯片將催生3D互聯網等新技術的問世。與目前的芯片設備相比，采用記憶電阻器芯片的設備將有很大不同之處，首先是尺寸更小，其次是可以產生更真實的視覺體驗。這是因為它們具有超越尺寸的處理能力，生成內容的速度極快，虛擬體驗的逼真度極高。

7、可應用于相變存儲器

在芯片的研發上，除了在現有技術上繼續走小型化的路線外，有些公司也另辟蹊徑，研發其他富有競爭力的存儲新技術。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相變存儲器（PCM）。專家們認為，相變存儲器是憶阻器很有前途的研發方向，因其具有高存取速度、高容量、非易失性、工藝簡單和多值化前景好等諸多優勢，將會逐步取代閃存、磁盤等。

8、可應用于固態硬盤

記憶變阻器可以為固態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用于晶體管中，這些儲存設備可能要比DRAM的價格還要低。

9、可廣泛應用于科技、軍事、工業、醫療、家電等眾多領域

憶阻器能夠為芯片帶來諸多發展空間，不僅適用于科技、軍事、工業等領域，還可應用于監測血糖和心跳等用途的醫療領域，應用于智能相機、智能電視、智能空調、智能冰箱、智能微波爐、智能洗衣機等眾多家電領域。

[1]李超輩：基于記憶元件的突觸電路研究[D].重慶大學計算機學院，2013.

[2]記憶電阻器[DB/OL].中國百科網主頁/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，2009（10）.

[4]我院本科生在ACS Nano撰文報道記憶電感器件[EB/OL].清華大學材料學院網主頁/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.

（責任編輯：張瓊芳）