【摘 要】忆阻器作为推动信息时代快速发展的因素之一，给电子行业带来了新的发展契机，其发生、发展的整个过程都非常具有代表性，并且未来发展方向也是值得深入研究的，本文针对忆阻器的发生及特点、结构及材料、应用途径进行分析，并对忆阻器在未来如何发展进行了展望。
【关键词】忆阻器 电子技术 存储功能
科技飞速发展的时代下，信息传递是影响社会发展的重要元素之一，海量的信息存储及快速处理等需求推动电子行业的快速发展。忆阻器作为一种有记忆功能的非线性电阻，带来了电子电路的结构体系、原理、设计理论的巨大变革，是继电阻、电容、电感之后的第四种无源基本电路元件，为电子技术中存储功能的进一步提高提供了基础。
一、忆阻器的发生及特点
（一）忆阻器的发生
1971年，科学家蔡绍棠通过研究发现电压、电流、电荷、磁通（v，i，q，φ）这四种变量之间，两两之间组合成的六种关系中，有5个是已知的，只有q，φ之间的关系尚不明确，蔡绍棠根据对称性的原理提出了第4种无源基本电路元件存在，将这第4种基本电路元件命名为忆阻器，忆阻值M与电荷q、φ之间的关系为：dφ=M（q）dq。
2008年惠普公司成功发明了具有典型特征的固态忆阻器，自此证明了科学家蔡绍棠提出的第4中基本电路元件存在，在惠普公司的发展史上，忆阻器的发明带来了新的变革空间，主要应用于电路结构、设计理论等方面。
（二）忆阻器和其他基本电路元件的关系
无源电路元件集是由忆阻器（M）、电容（C）、电阻（R）和电感（R）一起组成的。四种电量之间分别由这四种电路元件来进行转换，四种电路之间不可以相互替代，不可相互模拟。C、L与忆阻器相比较，虽然是动态元件，都有记忆功能，但是前两者在实用中存储的能量泄放的很快，忆阻器则在撤掉电流以后，能一直保持忆阻值，忆阻器具有非易失特性。M和R的比较，当忆阻值M为常量时，和电阻R是等同的，而R又不具备忆阻器的忆阻滞回特性，忆阻滞回特性应用于开关电路中，可以替代存储器的存储单元，存储器被非易失的阻性随机访问。
（三）忆阻器和有源器件的比较
忆阻器属于无源电路元件，但是它可以用有源和无源器件混合组成的电路来模拟，这说明了忆阻器在一定因素影响下可以具有有源器件的某些功能。但是忆阻器并不能完全取代晶体管，因为忆阻器毕竟属于无源电路元件，晶体管能量控制作用，因为忆阻器所不具备晶体管能量控制的有源特性。
（四）忆阻器和二极管的比较
忆阻器和二极管的共同点是都是非线性的器件，不同点是二极管没有记忆的能力。二极管可以组成ROM存储矩阵，其存储原理是通过逻辑阵列完成逻辑关系，而忆阻器本身即可存储数据，因此忆阻器可用作非易失随机访问存储器NVRAM。
二、忆阻器的材料及结构
（一）忆阻器制作材料
有机材料中有些具有忆阻特性，但目前使用的忆阻材料更倾向于无机固体材料。近年来多次实验结果证明，有机材料制作的忆阻器，对高温不耐受，敏感度较高，其性能不太稳定。具有忆阻特性的材料类型主要有：有机薄膜、硫化物、金属氧化物，特别是TiO2 以及各种钛矿化合物等。影响忆阻器材料选用及采用的因素包括成本、性能等，稀有、贵重的材料价格必然会很高，不能广泛的应用于实际中，在材料的选用上还要考虑是否能与集成电路工艺兼容。充分考虑各项影响因素后，再进行选用，可以有效提高生产效率，降低制作成本，扩大应用范围。抗辐射能力也是目前选用材料的特性之一，传统的晶体管抗辐射能力较低，忆阻器的制作材料具有更强的抗辐射能力。目前磁性存储器（MRAM）、铁电存储器（FeRAM）、Si+Ag混合材料存储器件和金属氧化物存储器（CMORAM）等是比较成功具有忆阻特性的器件。
（二）忆阻器的结构
薄膜结构是忆阻器空间结构主要采用的结构，忆阻特性在器件尺寸较小的前提下，发挥的越明显；忆阻器本身的结构可以做到几nm尺寸，这一点与MOS器件相比较，MOS管就很难做到或不能做到；忆阻器的空间结构和集成电路兼容性好，从而使成本得到了合理控制，加快了忆阻器的应用速度，发挥了忆阻器在电子行业发展中的商业作用。
（三）忆阻器的种类
自2000年以来，多种材料制作的新型忆阻器件被研究成功，都具有非易失的忆阻器特性，主要有相变存储器、磁性存储器、复杂金属氧化物存储器件、铁电存储器、硅和银合金薄膜存储器件、惠普实验室发明的TiO2薄膜器件（目前非常受关注）。忆阻器在存储器及模拟神经网络中的应用是研究的重点内容。
三、忆阻器的各种应用途径
（一）忆阻器在存储器中的应用
非易失的记忆能力是忆阻器的特性，因此忆阻器在存储器中的作用最为显著，忆阻器是基本的存储单元，体积和功耗都比较小，是传统单元所不能达到的。
第一个基于轮烷有机分子的纳米交叉结构阻变存储单元，是2003年惠普实验室和加州大学洛杉矶分校合作通过压印方法制备出来的，是纳米交叉结构的阻变存储器进入电子行业的开端。
（二）忆阻器在模拟电路中的应用
忆阻器的非易失记忆能力在模拟电路中也带来了新的发展方向，传统的电子器件中如二极管、晶体管、热敏电阻等都不具备忆阻器的特性，这些电子器件结合忆阻器构成了新型的混合电路，随之也出现了模拟电路的某些新功能及新特性，使电路功能更加先进，实现更多的电路功能，如非常规波形发生器和混沌振荡器等。
（三）忆阻器在人工智能计算机中的应用
忆阻器的主要功能是有记忆的能力，除此之外忆阻器还可以进行逻辑运算，这一功能可以把数据处理模块与存储电路模块结合在一起，从而改变传统的计算机体系架构，带来计算机体系架构的重组，为计算机体系的发展带来了新的动力。
1.忆阻器数据写入
通过在忆阻器两端施加超过其阈值的电压，便会使其处于导通或关断的状态，从而完成忆阻器的置位操作，在此基础上通过施加不同信号，来完成忆阻器的写操作。这种给忆阻器两端直接施压的方式，优点是直接方便，但是缺点也很明显，因为纳米忆阻器电阻值及其他相关设备运行参数的统计分布往往呈现出对数正态分布，每次写操作完成后存储单元的忆阻模拟状态变量便会出现较大的波动现象，影响RRAM可靠性和持续读写性，也会影响存储单元中高阻态之间的电阻差距。解决这些问题的方法是在2010年Huang等人提出的一个反馈系统，通过运算放大器可以持续给忆阻器施加电压，使得忆阻器能够较稳定处于所需要状态。惠普实验室于2011年设计出更加完备的闭环反馈电路用于数据写入，确保了忆阻器两端电压的稳定性，提高了数据写入的可靠性。
2.忆阻器的数据读取
数据读取与数据写入有很大的相似之处，施加相同电压，不同状态间阻值相差较大的原因导致电流差距较大。与数据写入的区别是忆阻器连段施加的电压不能超过阈值，在不改变忆阻器的状态下，通过流经存储阵列的负荷电阻的电流来判断忆阻器的存储数值。也可以运算放大器来辅助读取数据。
3.忆阻器在模拟神经网络中的应用
在模拟神经网络中，突触功能一般可由软件和硬件来完成，软件和硬件相比较软件完成的速度较慢、整体效率较低，很少被采用。硬件一般通过模拟电路、模数混合电路和数字电路来完成。目前，忆阻器的功能是相对于其他器件最接近神经元突触的电子器件，因此在构筑模拟神经元网络中，忆阻器与以上其他实现方式相比较，是最先进、最好的一种实现方式，为模拟神经元网络中发挥着巨大的推动性作用。
4.忆阻器带来的变革
忆阻器与其他各类基本电子器件具有明显的优势，最为突出的是其非易失特性，这一特性导致电路组成结构出现重大的变革，并且工作原理也随之发生改变。电子电路设计理论及开发工具针对忆阻器的特性而做出改变，在目前电子设计自动化开发工具非常成熟的基础上，不同种类忆阻器件首先要建立器件模型，把器件模型加入模型库后便可以投入使用。忆阻器带来的各项变革中，也存在着比较难点的问题，表现为电路和系统结构发生变化后，必须构建新型的电路及系统结构，并建立相应的设计理论及工作原理，这是忆阻器变革中的巨大挑战，也是今后研究的主要内容之一。
四、忆阻器研究难点
忆阻器在存储功能方面的发展是目前研究的方向之一，在生产工艺改进、产品质量提高、忆阻器在工业中的应用、读写功能满足计算机结构要求等等问题都是目前忆阻器研究中的难点问题，也是亟待解决的问题。纳米级器件制备采用的各项技术，如纳米压印、溶液制备、电子束光刻技术等在实际中效果并不理想，开关比较小，制备工艺的改进直接影响到存储器的存储密度及良率，忆阻器性能怎样有效提高，如何提高读写速度，忆阻器怎样满足计算机对速度和稳定性的各项要求，这都是今后研究的重点。
五、展望
作为基本电路元件，忆阻器在未来将会在数据存储、技术操作等方面发挥巨大的作用，器件模型的研究也将会更加适应实际电路需求，在促进电子产品发展的同时开发更多的应用电子技术。逐渐普及忆阻器的应用领域，扩大忆阻器的特殊用途范围，通过其特殊优势及功能得到电子市场的广泛认可。目前忆阻器的很多应用途径需要进一步开发及完善。在未来忆阻器一定会成为电子器件的优化产品，满足电子产品发展趋势各项要求：速度快、功耗低、密度高、体积小及功能强、成本低、环保等。忆阻器很可能满足以上所有特点，为电子电路发展贡献巨大的力量。
参考文献：
[1]蔡坤鹏； 王睿； 周济.第四种无源电子元件忆阻器的研究及应用进展[J].电子元件与材料.2010-04
[2]朱平平； 甘朝晖； 蒋旻.忆阻器实现逻辑门的方法研究[J].微电子学与计算机.2012-12
作者简介：
贾存华（1966年8月出生），男，河北省邯郸，总后勤部卫生部药品仪器检验所工程师，大学本科学历。主要从事计算机、通信自动化工作。