憶阻器（Memristor），全稱為記憶電阻器，是一種有記憶功能的非線性電阻，是電阻、電容、電感之外的第四種電路基本元件，具有高速、低功耗、高集成度、兼具信息存儲與計算功能等特點，被認為是最有潛力的未來邏輯運算器件。
1971年，首次提出憶阻器的概念的是加利福尼亞大學華裔科學家蔡少棠。可直到2008年，惠普的研究小組才將這一概念變為現實，創建了世界上第一個憶阻器器件，并在《自然》上證實憶阻器的物理存在。密歇根大學于2010年率先研制出一種模擬大腦突觸工作的憶阻器電路。比勒費爾德大學托馬斯博士及其同事在2012年制成了一種具有學習能力的憶阻器。2013年，安迪·托馬斯利用“憶阻器”作為人工大腦的關鍵部件。2015年5月17日，科學家已經采用憶阻器件，創建了神經網絡芯片。2018年Guo團隊制備了光電憶阻器，2019年韓國Wang團隊制備了一款垂直結構的憶阻器。2021年，作者研究組率先研發出全光控憶阻器。2022年，東北師范大學的Liu團隊制備了一款全光控憶阻器，并模擬了生物突觸的長程增強和抑制功能。
發展歷程
提出憶阻器
1971年，蔡少棠從邏輯和公理的觀點指出，自然界應該還存在一個表示磁通與電荷關系的電路元件（即憶阻器）。為了證明憶阻器的可行性，蔡教授決定用電阻、電容、電感和放大器做出了一個模擬憶阻器效果的電路，當時并沒有找到什么材料本身就有明顯的憶阻器的效果，也沒有人在找，處于連集成電路都剛起步不久的階段。
研究憶阻器
在2008年，HP關于憶阻器的發現發表于《自然》期刊，于2009年證明了Cross Latch的系統很容易就能堆棧，形成立體的內存。技術每個電線間的開關大約是3nmx3nm大，開關切換的時間小于0.1ns，整體的運作速度已和DRAM所差無幾，但是開關次數還不如DRAM，所以還不能取代DRAM，但是其容量很大，遠遠超過了閃存。Crossbar latch的作用很多，不單單只是用來儲存數據。它的網格狀設計，和每個交叉點間都有開關，表明整組網格在某些程度上是可以邏輯化的。在原始的Crossbar Latch論文中就已經提到了如何用網格來模擬AND、OR和NOT三大邏輯閘，幾個網格的組合還可以做出加法之類的運算，這為擺脫晶體管進到下一個世代開了一扇窗。很多人認為憶阻器電腦相對于晶體管的躍進，和晶體管相對于真空管的躍進是一樣大的。另一方面，也有人在討論電路自己實時調整自己的狀態來符合運算需求的可能性。這點，再搭配上憶阻器的記憶能力，代表著運算電路和記憶電路可同時共存，而且隨需要調整。這已經完全超出了這一代電腦的設計邏輯，可以朝這條路發展下去的話，或許代表著新一代的智慧機器人的誕生。
在2008年5月1日，基于TiO2的RRAM器件的研究在《自然》期刊上發表，惠普實驗室的研究人員認為RRAM就是Chua所說的憶阻器。加利福尼亞大學伯克利分校教授蔡少棠在1971年發表《憶阻器：下落不明的電路元件》論文，提供了憶阻器的原始理論架構，推測電路有天然的記憶能力，即使電力中斷亦然。惠普實驗室的論文則以《尋獲下落不明的憶阻器》為標題，呼應前人的主張。RRAM可使手機將來使用數周或更久而不需充電；使個人電腦開機后立即啟動；筆記型電腦在電池耗盡之后很久仍記憶上次使用的信息。憶阻器也挑戰掌上電子裝置內普遍使用的閃存，因為它具有關閉電源后仍記憶數據的能力。RRAM比閃存更快記憶信息，消耗更少電力，占用更少空間。憶阻器跟人腦運作方式頗為類似，惠普說或許有天，電腦系統能利用憶阻器，像人類那樣將某種模式（patterns）記憶與關聯。
RRAM為制造非易失性存儲設備即開型PC、更高能效的計算機和類似人類大腦方式處理與聯系信息的模擬式計算機等鋪平了道路，未來甚至可能會通過大大提高晶體管所能達到的功能密度，對電子科學的發展歷程產生重大影響。蔡教授原先的想法是：憶阻器的電阻取決于多少電荷經過了這個器件。研究人員也表示，憶阻器器件的最有趣特征是它可以記憶流經它的電荷數量。也就是說，讓電荷以一個方向流過，電阻會增加；如果讓電荷以反向流動，電阻就會減小。簡單地說，這種器件在任一時刻的電阻是時間的函數———或多少電荷向前或向后經過了它。這一簡單想法的被證實，將對計算及計算機科學產生深遠的影響。
憶阻器的突破
2010年，密歇根大學率先研制出一種模擬大腦突觸工作的憶阻器電路，并且密歇根大學還試圖用數以萬計的“憶阻器突觸”來構建類神經網絡。隨后，IBM公司宣布用這種突觸電路，來模仿貓腦的算法“BlueMatter”，將新型超級計算機的研制轉移至硬件端，開辟認知型電腦的新時代。2012年，比勒費爾德大學托馬斯博士及其同事，制成了一種具有學習能力的憶阻器。2013年，安迪.R托馬斯利用“憶阻器”作為人工大腦的關鍵部件。在2015年5月17日《自然》雜志上，科學家采用憶阻器件，創建了神經網絡芯片。2015年Bersuker團隊利用二氧化鉿(HfO2)制備了導電細絲型光電憶阻器。2018年Guo團隊基ZnO1-x/AlOy異質結制備了光電憶阻器，2019年韓國Wang團隊基于CH3NH3PbI3(即MAPbI3或OHP)制備了一款垂直結構的憶阻器。2021年，作者研究組率先研發出了具有實際應用前景的全光控憶阻器，并模擬了生物突觸的脈沖時間依賴可塑性學習規則，2022年，東北師范大學的Liu團隊以Ag-TiO2納米復合材料為介質層制備了一款全光控憶阻器，并模擬了生物突觸的長程增強和抑制功能。
工作原理
憶阻器的電阻轉變行為通常伴隨著電子、離子等電荷的場致輸運。描繪器件中電子注入過程、遷移離子的類型、離子產生和復合的電化學反應過程，闡明電場作用下的納米尺度器件中的電荷輸運機制及其對器件導電特性的影響。場致電子或離子的遷移會導致器件中局部區域元素分布、價態成鍵和材料結構等的變化，改變材料能帶結構和電荷輸運性質，從而在器件兩端電極之間導致金屬性導電通道的生長和斷裂過程。
基本構造
實現憶阻效應的器件主要為電阻開關“金屬/絕緣體/金屬”結構(metal/insulator/metal，簡記為MIM 結構)，這與電容器結構類似，主要區別在于憶阻器結構兩端的上下電極通常特性不同，是一種不對稱的二端結構器件。相比傳統的互補金屬氧化物半導體(CMOS)器件，憶阻器結構在集成度及尺寸縮小方面具有明顯優勢。
發展前景
有望制成更快更節能的即開型PC
憶阻器最簡單的應用就是作為非易失性阻抗存儲器(RRAM)，當前的動態隨機存儲器所面臨的最大的困難是關閉PC電源時，動態隨機存儲器就無法運行，所以下次打開計算機電源，就必須等很長時間，等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。但是有了非易失性隨機存儲器，那個過程將是瞬間的，就不需要使用者長時間的等待，并且PC會回到關閉時的相同狀態。研究人員稱，憶阻器可讓手機在使用數周或更久時間后也不需要充電，也可使筆記本電腦在電池電量耗盡后很久仍能保存信息。所以，憶阻器也有望挑戰數碼設備中普遍使用的閃存，因為它具有關閉電源后仍可以保存信息的能力。利用這項新發現制成的芯片，比閃存更快地保存信息，消耗更少的電力，占用更少的空間。
為開發模擬式計算機鋪平道路
憶阻器還能讓電腦理解以往搜集數據的方式，這就類似于人類大腦搜集、理解一系列事情的模式，可讓計算機在找出自己保存的數據時更加智能。例如，根據以往搜集到的信息，憶阻器電路可以告訴一臺微波爐對于不同食物的加熱時間。許多研究人員正試圖編寫在標準機器上運行的計算機代碼，用來模擬大腦功能，他們使用大量有巨大處理能力的機器，可也僅僅是模擬大腦很小的部分。研究人員表示能用一種不同于寫計算機程序的方式來模擬大腦或模擬大腦的某種功能，即依靠構造某種基于憶阻器的仿真類大腦功能的硬件來實現。其基本原理為，不用1和0，而代之以像明暗不同的灰色之中的幾乎所有狀態。這樣的計算機可以做許多種數字式計算機不太擅長的事情。比如做決策，判定一個事物比另一個大，甚至是學習等等。這樣的硬件可用來改進臉部識別技術，比在數字式計算機上運行程序要快幾千到幾百萬倍。
取代晶體管
憶阻器的優異性能已經展現出其應用前景，這種基礎元器件從根本上顛覆現有的硅芯片產業。憶阻器具有布爾邏輯運算的功能是惠普實驗室在2010年再次宣布的，這一發現震動了計算機學界。曾領銜研制“天河一號”系列超級計算機的國防科技大學科研人員在跟蹤調研后認為，“理論上可以通過憶阻器完全替代現在所有的數字電路。”西南大學電子信息工程學院教授段書凱表示：在很大程度上同意憶阻器有可能代替晶體管這種說法，其自動記憶能力和狀態轉換特性，還將推動人工智能和模擬存儲的發展。與蔡少棠之間的學術淵源，使段書凱成為國內最早開展憶阻器非線性系統研究的學者之一。華中科技大學微電子學系教授、長江學者繆向水也發表了自己的看法，憶阻器的確具有給微電子領域帶來強大變革的能力，但要徹底取代晶體管，此時看來還不太現實。“還不太現實”的一個重要原因，在于憶阻器的實際應用還有許多技術問題有待研究。
2012年，美國電氣和電子工程協會邀約3位國際知名學者共同撰寫了一篇長文《超越摩爾》，其中專章講述了憶阻器。這引起了中科院計算技術研究所研究員閔應驊的注意，他在科學網上連續發表5篇博文進行譯介。閔應驊曾表示，未來半導體工業有可能從“硅時代”進入“碳時代”，而憶阻器這種可記憶電流的非線性電阻，憑借其優越的特性，成為未來極有希望的存儲元件。不過幾乎所有科學家，學者均認為，這正是一個歷史機遇，中國研究者應有所作為。
研究現狀
國內外對比
提及憶阻器當前國內外研究態勢，國防科技大學電子科學與工程學院教授徐暉則表示：就在憶阻器的機理尚未完全探明時，國外商業競爭已進入白熱化階段了。自惠普憶阻器原型問世以來，國際研究迅速升溫，至今已有百余所研究機構參與。不僅英、德、韓等國相繼加入，英特爾、IBM等工業巨頭也在美國軍方支持下砸下重金。2009年，科技部啟動國際合作項目“憶阻器材料及其原型器件”，繆向水是項目負責人。繆向水也坦承，國內憶阻器研究目前還處于初始階段。
國內學術界在正式場合引介憶阻器大約在2010年。在中國電子學會第16屆電子元件學術年會上，一個重要環節即是由清華大學材料系教授周濟介紹憶阻器。盡管這只是一個介紹性報告，卻為與會者打開了一扇窗口。隨后幾年，該篇會議論文的下載量激增，顯示出國內同行的極大熱情。2009年，只有徐暉團隊的一篇碩士論文專門介紹憶阻器；到2012年，這一數字已增至11篇。繆向水表示：必須在國外廠商實現憶阻器產業化之前，‘強強聯合，共同攻關，取得原創性的自主知識產權成果，以免將來受制于人。華中科技大學歷經四年研究，已經能夠制備出納米級性能穩定的憶阻器原型器件。并由該校牽頭，聯合清華大學、北京大學、國防科技大學、中國科學院微電子研究所等單位已在聯合申報一個“973”計劃項目，拉開中國憶阻器研發“協同作戰”的序幕。
跨越鴻溝
從長遠來看，憶阻器更大的挑戰則來自于知識、學科和行業之間的“鴻溝”。湖南大學信息學院副教授尤志強曾前往美國交流，親眼目睹惠普等產業界與學術界的密集互動。不料回國后，尤志強卻接連遭遇在計算機期刊發表憶阻器論文被拒評的尷尬。尤志強推測，評審專家對憶阻器缺乏了解，特別是計算機專家不熟悉半導體領域進展可能是原因之一。閔應驊表示：憶阻器屬于影響長遠的應用基礎問題，存在大量學科交叉，做計算機的往往很難申請到課題，而做半導體的又太著急出成果。2013年，在教學體系設置上， 幾乎所有理工科大學生必修的本科基礎課程《電路原理》，仍未將“憶阻器”納入，以致于不少師生對于憶阻器都普遍感到陌生。
基本分類
電化電池
憶阻器具有電化電池表現的特征。
固態
惠普資訊與量子系統實驗室的研究人員于2007年在理查德·斯坦利·威廉姆斯的領導下成功研制了固態的憶阻器，是由一片雙層的二氧化鈦薄膜所形成，當電流通過時，其電阻就會改變。固態的憶阻器的制造需要涉及物料的納米技術，這個憶阻器并不像其理論般涉及磁通量，或如電容器般儲存電荷，而是以化學技術來達至電阻隨電流歷史改變的性質。不過，三星集團卻有一項正申請專利的憶阻器，采用了類似惠普公司的技術。故此誰是憶阻器的創始人則有待澄清。惠普是以兩層二氧化鈦薄膜來制作憶阻器元件，其中一層摻雜。
應用領域
憶阻器能夠記憶信息的能力可以應用在非易失性存儲器領域并導致一種新型計算機存儲器的產生，補充并且最終替代傳統的D一RAM。基于憶阻器部件的計算機，將無需費時耗能的啟動過程，也不像使用傳統D-RAM的計算機那樣，一旦切斷電源就無法保存信息。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，沒有保存文檔，沒有正常退出程序，這時你不會失去任何東西。重新放回電池，筆記本屏幕立即恢復原樣，沒有冗長的重啟動，沒有任何的文件恢復操作。另外，這一功能將在“云計算”應用中發揮重要作用。“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。
憶阻器的行為機制類似于神經元和突觸，因此可應用于人工神經網絡，使得電腦神經網絡制作更能接近人腦，可用于實現類腦系統。也就是說，憶阻器技術的更多潛能存在于計算機系統的創建中，這些計算機系統可以擁有像人類一樣的記憶與聯想模式，可以大大改進臉部識別技術，或提供更復雜的生物識別系統，該系統能夠更有效地限制對個人信息的訪問。這些相同模式匹配功能能夠使有學習能力的電氣用具和有決策能力的計算機成為可能。也就是說，不久的將來，計算機將不僅能夠用軟件來學習，也可以用硬件來學習。可見，憶阻器將可以取代晶體管電路而應用在新一代具備人腦思維能力的模擬電路設計中。這就是模擬學習、自適應和自發行為的神經形態元件。
實質進展
憶阻器被植入到人體內后，可以執行體征監測、疾病預警、傷口愈合跟蹤，并能夠將信息無線地傳送給醫生或患者，以便于采取后續措施。實驗證實，可降解憶阻器可讀寫數百次，在干燥情況下，信息可儲存3個月。而當憶阻器放入水中或人體體液中時，整個器件在3天時間內就幾乎完全溶解。
參考資料 >
2013 年前使用憶阻器的記憶裝置將上市.中國科學院成都文獻情報中心.2023-10-11
世上第四種元件——憶阻器(memristor).電子工程世界.2023-10-11
憶阻器材料成IT基礎研究新焦點.中國新聞網.2023-10-12
憶阻器.華中科技大學信息存儲材料及器件研究所.2023-10-11
我院老師再出重要學術成果.北京郵電大學計算機學院.2023-10-11
“憶阻器之父”蔡少棠教授來訪交流.華中科技大學信息存儲材料及器件研究所.2023-10-11
[科普中國]-憶阻器.科普中國網.2023-10-11
憶阻器.山東合運電氣有限公司.2023-10-12
可被人體吸收的電子器件問世 將在疾病診斷中發揮作用.中國科技網.2023-10-11