作為電路理論里的第四種被動電路——憶阻器（memristors），已經(jīng)通過對一種能生成該新記憶器件的基質(zhì)材料的處理向其理論原型更進(jìn)了一步。 

　　今年四月份，惠普實(shí)驗(yàn)室（HewlettPackardLaboratories）的研究人員聲稱已經(jīng)“發(fā)現(xiàn)”了由加州大學(xué)伯克利分校教授LeonChua在1971年一篇論文里提及的除電阻，電容和電感以外的第四種被動電路——憶阻器。 

　　現(xiàn)在，惠普實(shí)驗(yàn)室（總部位于加州PaloAlto）表示他們已經(jīng)展示了如何根據(jù)“阻值隨流經(jīng)的電流改變”的原理來控制這種憶阻器材料。實(shí)驗(yàn)室的高級人員許諾將在明年加快RRAM（阻抗性隨機(jī)存取記憶體）商業(yè)成型芯片的開發(fā)進(jìn)度。 

　　惠普實(shí)驗(yàn)室的憶阻器主要研究人員DuncanStewart表示：“我們已經(jīng)通過試驗(yàn)證明了我們的憶阻器表現(xiàn)得和理論預(yù)測的一致，另外我們已經(jīng)能演示對憶阻器器件結(jié)構(gòu)的工程控制，這意味著我們將很快就能構(gòu)建出實(shí)際芯片?！?nbsp;

　　原子力顯微鏡下的一個有17個憶阻器排列成一排簡單電路的圖像。每個憶阻器有一個底部的導(dǎo)線與器件的一邊接觸，一個頂部的導(dǎo)線與另一邊接觸。這些導(dǎo)線有50nm寬。（圖片由J. J. Yang, HP Labs許可。） 

　　惠普實(shí)驗(yàn)室的憶阻器是一個由兩個金屬電極夾著的氧化鈦層構(gòu)成的雙端，雙層交叉開關(guān)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。其中一層氧化鈦摻雜了氧空位，成為一個半導(dǎo)體；相鄰的一層不摻雜任何東西，讓其保持絕緣體的自然屬性。通過檢測交叉開關(guān)兩端電極的阻性，就能判斷RRAM的“開”或者“關(guān)”狀態(tài)。 

　　如果是在保持絕緣體自然屬性的氧化鈦層的一端，該記憶體開關(guān)處在“關(guān)”的狀態(tài)。通過在交叉開關(guān)結(jié)點(diǎn)處施加偏置電壓，氧空位將從摻雜了氧空位的氧化鈦層轉(zhuǎn)移到無摻雜的一層，即開始了傳導(dǎo)過程，并最終打“開”了記憶體的開關(guān)。同樣地，通過改變電流方向氧空位將從無摻雜的一層轉(zhuǎn)移回?fù)诫s層，并最終把記憶體開關(guān)“關(guān)”上。 

　　憶阻體的主要優(yōu)勢在于它的阻抗變化是非易失性的，直至對它施加了一個相反方向的電壓，使氧空位動回?fù)诫s層。目前開關(guān)速度可以達(dá)到大約每納秒50次。 

　　Stewart說，“人們研究像我們的憶阻體那樣能表現(xiàn)出阻抗變化的材料有相當(dāng)長一段時(shí)間，但對于其工作原理的解釋各式各樣，我們的實(shí)證建立在穩(wěn)定的機(jī)理上，其關(guān)鍵就在：氧空位改變了氧化金屬的接觸面的特性。 

　　不過即使知道氧空位將改變氧化鈦的阻抗仍然不足以對該材料進(jìn)行工程上的控制?；萜盏难芯咳藛T同樣需要通過細(xì)致的測量確定材料的特性。他們一開始假定氧空位改變了氧化金屬材料的體積屬性。但惠普現(xiàn)在則聲明在氧化層和金屬電極層的接觸面發(fā)生的納米級變化，而不是金屬的體積特性變化，最終使憶阻器的阻抗發(fā)生了變化。 

　　Stewart說：“我們現(xiàn)在已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)確定氧空位改變了金屬-氧化層接觸面的電子勢壘?！?nbsp;

　　研究人員同時(shí)還聲稱憶阻器是通過削薄肖特基勢壘——即金屬和半導(dǎo)體接觸面的電子勢壘，而不是通過改變氧化鈦的體積特性來起作用的。 

　　惠普實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一個可以演示憶阻器層與層之間接觸面的細(xì)節(jié)特性的解決方案：將該試驗(yàn)器件橫向布局在芯片上，而非縱向布局?；萜諏?shí)驗(yàn)室的研究員Jianhua(Josh)Yang說“我們采用了單晶體氧化鈦來使憶阻器構(gòu)成一個橫向器件，而不是縱向器件，以這種方式我們現(xiàn)在能夠?qū)蓚€接口分別獨(dú)立地測試，并驗(yàn)證每一個接口對憶阻器產(chǎn)生的影響?！?nbsp;

　　惠普實(shí)驗(yàn)室制造了幾種不同結(jié)構(gòu)的橫向器件以全面體現(xiàn)憶阻器的特性。橫向器件同樣也能測量不同次序下每一層的電氣特性，并最終建立構(gòu)建基于憶阻器的CMOS半導(dǎo)體的知識基礎(chǔ)。“現(xiàn)在我們知道如何根據(jù)我們所需的特性來構(gòu)造我們的新器件。”Yang說，“例如我們想用正極性電壓“關(guān)閉”憶阻器，我們就會讓氧空位置于首層氧化鈦。如果你想用正極性電壓“打開”憶阻器，你只需要將這兩個層反轉(zhuǎn)設(shè)置就可以了?！?nbsp;

　　惠普實(shí)驗(yàn)室目前正在努力制造第一個原型芯片以演示該電路的功能，預(yù)計(jì)這項(xiàng)計(jì)劃將在明年完成?！袄霉こ炭刂莆覀儸F(xiàn)在可以構(gòu)建一個能提供具體電氣性能的器件，”Yang說?！耙仓挥胁捎霉こ炭刂撇拍軜?gòu)建更大規(guī)模的集成電路。” 

　　RRAM的設(shè)計(jì)將采用惠普實(shí)驗(yàn)室的原型芯片的交叉開關(guān)結(jié)構(gòu)。單獨(dú)使用間距少于50nm的金屬線作底部電極，與垂直于該底部電極的金屬線形成一個交叉開關(guān)。工程師計(jì)劃用兩層二氧化鈦?zhàn)鳛榻饘倬€間隙的夾心層，其中一層摻雜了氧空位而另一層不摻雜任何東西。電流在兩根金屬線之間流動：一個在頂部，一個則在底部，器件可以進(jìn)行獨(dú)立的位單元尋址，可以通過改變它們的阻抗最終關(guān)閉或打開位單元。 

　　Stewart說：“我們正在搭建實(shí)際的集成電路以實(shí)現(xiàn)我們在非易失性隨機(jī)存儲器市場上的短期目標(biāo)，這個市場有很大潛力。” 

　　惠普實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃在2009年推出基于憶阻器交叉開關(guān)陣列的RRAM原型芯片。 


　　屆時(shí)除了采用相似的交叉開關(guān)結(jié)構(gòu)，還將利用到模擬電路中阻抗的精確變化。惠普實(shí)驗(yàn)室聲稱大規(guī)模憶阻器陣列的每個交叉開關(guān)的可調(diào)阻抗能像大腦一樣進(jìn)行學(xué)習(xí)。人體大腦里的突觸在無論什么時(shí)候有電流流經(jīng)都可以得到增強(qiáng)，相似地憶阻器的阻抗也會被流經(jīng)的電流減小。通過允許電流在任意方向的流動，這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以學(xué)習(xí)適應(yīng)不同的需要。 

　　Stewart說“RRAM是我們的近期目標(biāo)，但從長期來說，我們對憶阻器的第二目標(biāo)是通過建立能學(xué)習(xí)的自適應(yīng)控制電路來轉(zhuǎn)換計(jì)算，而采用突觸的模擬電路至少還需要五年或者更多時(shí)間來研究?！?nbsp;

　　他們估計(jì)還需要五年時(shí)間才能生產(chǎn)出第一個模擬憶阻器原型芯片，商業(yè)應(yīng)用還要差不多十年之久。