高科记忆元件力推知识经济崛起

于业丽，于凌宇

（1、中国建设银行 濮阳分行，河南 濮阳 457000 2、河南大学 濮阳工学院，河南 濮阳 457000）

高科记忆元件力推知识经济崛起

于业丽1，于凌宇2

（1、中国建设银行 濮阳分行，河南 濮阳 457000 2、河南大学 濮阳工学院，河南 濮阳 457000）

随着信息技术快速提升，信息化与全球化迅猛推进，人类大步跨入了知识经济新时代。本文简介了纳米记忆元件发展概况，探讨了其突破芯片技术极限，推动信息技术进步、信息产业升级和知识经济崛起的战略意义，展望了其高新科技应用前景。

记忆元件；忆阻器；忆容器；忆感器；信息技术；信息产业；知识经济

现代信息技术的高速发展，使信息化水平不断提升，大大提高了人们处理信息的能力和利用信息的效率，加速了科技开发与信息产业创新的步伐，引领着各行各业加快了科技成果向现实生产力转化的速度，从而使知识在经济增长中的贡献程度空前提高。因此，知识经济实质上是一种以信息产业为支柱产业，以信息技术为核心技术的全球网络经济和创新经济。而芯片技术作为信息技术的关键，经过半个多世纪的高速发展，似乎已经走到了尽头，其发展难以为继。正在人们为难之际，纳米电子记忆元件的问世，使芯片技术突破了发展极限，为信息技术的推进、信息产业的升级、知识经济的崛起带来了无限希望。

一、纳米记忆元件发展概况

纳米电子记忆元件（简称记忆元件），是近年来世界发达国家、行业巨头不惜血本研发的一类高新电子元件。其包括忆阻器（MR，又称忆阻、记忆电阻器）、忆容器（MC，又称忆容、记忆电容器）和忆感器（ML，又称忆感、记忆电感器）。

在传统电路中，电路的基本元件只有三种无源元件，即电阻器（R，简称电阻）、电容器（C，简称电容）、电感器（L，简称电感）。而在现代电路中，由于三种无源记忆元件的出现，电路的基本元件将扩充至六种，从而组成了完备的无源基本电路元件集，为电子技术的创新发展拓展了广阔途径。

纵观国际，2008年，美国惠普公司声称研发出了忆阻器；2009年，美国加州大学伯克利分校宣布研发出了忆容器。放眼国内，2012年，华中科技大学声明研发出了忆阻器；2014年，清华大学宣告研发出了忆感器；2014年，安徽铜陵市新泰电容电器有限责任公司宣称，发明了一种具有记忆功能的电容器用金属化薄膜，申请了国家发明专利，可为忆容器的研发提供材料来源。据了解，自美国惠普忆阻器原型问世以来，世界发达国家对记忆元件的研究迅速升温，至今已有十多个国家的上百个研究机构参与。不仅英国、德国、日本、法国、俄罗斯、韩国、澳大利亚、荷兰、比利时等国相继加入，就连Intel、IBM等世界工业巨头也在美国军方支持下砸下重金。

高效推进记忆元件的发展，这不仅是一个技术问题，也是一个经济问题、应用问题和市场问题，必须进行系统全面的深入研究。

二、记忆元件突破电子技术极限的战略意义

当今世界，越来越多的科学家认为，限于目前光刻扫描仪的极限水平是10纳米，10纳米也自然成为半导体芯片技术小型化的极限，最迟至2020年，见证半导体工业长达半个世纪且随之进化的“摩尔定律”将迎来物理极限的大考。

目前，石墨烯被认为是替代硅最有前途的芯片材料，但究竟哪种元器件堪当继续推进芯片小型化和高性能的大任，科学家多年来一直在呕心沥血地艰辛探索。

近年来，高新纳米记忆元件忆阻器的出现，给电子技术突破极限再升级带来了新希望。因为单个忆阻器的物理尺寸小，状态变化快，转换时间仅为0.1纳秒，与DRAM相当。并且忆阻器可制成阵列和多层堆叠，如将其作为存储，每平方厘米容量可达100GB，每立方厘米容量可达1000 TB。若作为存储器，其存储密度、功耗、读写时间远远胜过闪存。而存储密度甚至可与磁性存储器相媲美。正是由于忆阻器只有3纳米的尺寸，大大突破了芯片10纳米的极限，为芯片的小型化延伸了发展极限，从而延长了摩尔定律的适用期。另外，由于它还具有完全不同于晶体管的电学特性，一个忆阻器具有10个晶体管的功率，且体积更小，故可使集成电路上可容纳的忆阻器数目及其技术性能大大突破约每隔18个月提升一倍速度的限制。同时，忆阻器不仅能用于存储，还能进行二进制布尔运算，有望开发出容存储与处理于一体的新型器件，理论上忆阻器可以完全替代现在所有的数字逻辑电路。再者，忆阻器由于是无源元件，还具有节能功能。所有这些，都充分表明，忆阻器不仅可延续摩尔定律的适用期，而且可大大突破摩尔定律所界定的性能提升速度和性能类别。

随着忆阻器生产技术的日趋完善、成熟和改进，再加上忆容器和忆感器的组合应用，必将为电子技术的不断突破、信息产业的加速升级、知识经济的快速发展提供强劲动力。

三、记忆元件应用前景诱人

记忆元件的应用前景非常广阔，将来很可能让目前的存储器同时具备CPU功能，成为不需要主屏的单一电脑，将计算机提速的瓶颈完全打破。它在非易失性存储、人工神经网络、混沌电路、逻辑运算及信号处理等领域都具有很大的应用潜力。

1、有望制成更快更节能的即开即关型电脑

忆阻器最简单的应用就是构造新型的非易失性随机存储器（RRAM），补充并最终替代传统的动态随机存储器（DRAM），或当计算机关闭后不会忘记它们曾经所处的能量状态的存储芯片。研究人员称，今天的动态随机存储器所面临的最大问题是，当你关闭电脑电源时，动态随机存储器就忘记了那里曾有过什么，所以下次打开计算机电源，你就必须坐在那儿等到所有需要运行计算机的东西都从硬盘装入到动态随机存储器。而有了基于非易失性随机存储器部件的计算机，这个过程将是瞬间的和节能的，并且你的电脑会回到你关闭时的相同状态。

设想这一功能应用在你的笔记本电脑中，当你突然拔出电池，或者电池突然无电，或者外接电源因故突然停电，或者因疏忽或急事直接关闭电源，但没有保存文档，没有正常退出程序时，你也不会失去任何东西。当你重新放回电池，或者电池充电，或者重启电源后，笔记本屏幕将立即恢复原样，没有冗长的重启动，没有任何的文件恢复操作，从而大大节约了能源，提高了工作效率。

2、在云计算中大显神威

忆阻器这一功能还会在“云计算”应用中发挥更加重要的作用。由于“云计算”应用现已在IT基础设施中越来越盛行，它使用成千上万台服务器和存储器系统，这些系统需要大量的电能以存储、重新获取以及保护数以百万计的全球互联网用户的信息，使用基于忆阻器的非易失性随机存储器后，将极大地提高工作效率和节约能源。

3、可广泛应用于手机、笔记本电脑、摄像机等数码设备

专家声称，采用忆阻器芯片可让手机在使用数周或更久时间后无需充电，也可使笔记本电脑在电池电量耗尽后很久仍能保存信息。忆阻器也有望挑战目前摄像机等数码设备中普遍使用的闪存功能，因为它具有关闭电源后仍可保存信息的能力。利用这项新发现制成的芯片，由于比目前的闪存可更快地保存信息，消耗更少的电力，占用更少的空间，从而也有利于数码设备的小型化。

4、可使换代计算机简化架构、提高功能、缩小体积、减轻重量

2014年6月，惠普公司CEO惠特曼声称，年内将启动惠普机器计划，即从零开始，建立起一种崭新的计算方式，构建全新的计算机架构。据悉，惠普机器主要由忆阻器存储、硅光子通信、专用处理器和定制化操作系统构成，而最具革命性创新的核心技术在于忆阻器。

5、可应用于智能化类人电脑

据国外媒体报道，长久以来，科学家一直梦想着能造出像大脑一样的电脑。这是因为大脑比电脑更加节能，而且还会自主学习，不需要任何编程。美国加州大学圣迭戈分校的电脑专家DiVentra，通过多年研究已经证明，单细胞和多细胞生物体中均存在微小的忆阻组件。他还利用忆阻器解释了变形虫的生理学习机制，即通过一个LC回路和忆阻器来解释变形虫如何学习改变它们的行为。由于忆阻器的行为机制类似于人脑神经元和突触，因此可应用于人工神经网络，使得电脑神经网络更能接近人脑，从而实现类脑系统。

6、可应用于3D互联网

记忆电阻器芯片将催生3D互联网等新技术的问世。与目前的芯片设备相比，采用记忆电阻器芯片的设备将有很大不同之处，首先是尺寸更小，其次是可以产生更真实的视觉体验。这是因为它们具有超越尺寸的处理能力，生成内容的速度极快，虚拟体验的逼真度极高。

7、可应用于相变存储器

在芯片的研发上，除了在现有技术上继续走小型化的路线外，有些公司也另辟蹊径，研发其他富有竞争力的存储新技术。比如，IBM公司和英特尔公司正在殚精竭虑利用忆阻器来研发相变存储器（PCM）。专家们认为，相变存储器是忆阻器很有前途的研发方向，因其具有高存取速度、高容量、非易失性、工艺简单和多值化前景好等诸多优势，将会逐步取代闪存、磁盘等。

8、可应用于固态硬盘

记忆变阻器可以为固态硬盘提供更加小型而快速的元件。而且由于越来越小的记忆变阻器应用于晶体管中，这些储存设备可能要比DRAM的价格还要低。

9、可广泛应用于科技、军事、工业、医疗、家电等众多领域

忆阻器能够为芯片带来诸多发展空间，不仅适用于科技、军事、工业等领域，还可应用于监测血糖和心跳等用途的医疗领域，应用于智能相机、智能电视、智能空调、智能冰箱、智能微波炉、智能洗衣机等众多家电领域。

[1]李超辈：基于记忆元件的突触电路研究[D].重庆大学计算机学院，2013.

[2]记忆电阻器[DB/OL].中国百科网主页/电子元器件/电阻器http：//www.chinabaike.com/t/30888/2015/1005/3450673.html，2015-10-05.

[3]方陵生：记忆电阻器与人工智能[J].世界科学，2009（10）.

[4]我院本科生在ACS Nano撰文报道记忆电感器件[EB/OL].清华大学材料学院网主页/重要新闻http：//www.tsinghua.edu. cn/publish/mse/142/2014/20141008110033278970243/20141008 11003327897 0243_.html，2014-10-12.

[5]孔祥新：一种具有记忆功能的电容器金属化薄膜[P].CN 104 312007 A，2015-01-28.

（责任编辑：张琼芳）