第四种无源电子元件：可模仿人脑的忆阻器

       忆阻器最早是电子工程师蔡少棠在1971年发表的创新论文“忆阻器——缺失的电路元件”(IEEE电路理论学报)中提出的。这份广受同行评议的声明震惊了许多电子工程师，因为声明详细介绍了电路理论中如何有一条“缺失的链路”。蔡少棠表示，通过必要的理论计算，在电阻、电容和电感之外必定存在第4种无源电子元件。他的论点是元素周期表发明者——俄罗斯化学家门捷列夫的回忆录。门捷列夫声称通过数学模型计算可以发现在周期表中必定存在缺失的元素。两人的观点都是正确的。门捷列夫的缺失元素最终都被发现，而2006年惠普高级工程师Stan Williams在普通半导体材料中同样发现了蔡少棠所说的缺失的忆阻器。

       蔡少棠把他的第4种无源电路元件称为忆阻器，因为它能通过改变内部内阻“记住”最近流过的电流大小，因此可以成为一种记忆型电阻。惠普的成果是二氧化钛，但从那以后许多其它半导体制造商都争相披露他们也在研究忆阻性材料，并试图创建一种称为电阻性随机访问存储器(ReRAM)的通用存储器类型。因此，在蔡少棠断言忆阻器存在的大约40年后，这些材料最终将实现广泛的商用化，并用于实现非易失性、密度比闪存高、速度比DRAM快的通用存储器芯片。

                  
                         图1：建造在CMOS芯片之上的HRL忆阻器交叉矩阵可以在每平方厘米面积上存储10Gbits。

       有许多著名的半导体公司承诺推出忆阻性微芯片，有些声称最早2013年就可以推出，这些公司包括Adesto Technologies、Elpida、富士通、GlobalFoundries、惠普、海力士、IBM、Macronix、Nanya、NEC、松下、Rambus、SanDisk、三星、夏普、索尼、意法微电子、华邦、4DS以及像与台积电等代工伙伴合作的IMEC等多个研究实验室。

       然而，你可能还没弄明白的是，在今后40年忆阻器可能更加流行，并作为基于人脑架构的认知型电脑新时代的基础。

       由国防高级研究计划局(DARPA)计划牵头的神经形态自适应塑料可扩展电子系统(SyNAPSE)研究实验室正在引领认知电脑的新时代，这种认知电脑的功能将远超人工智能(AI)。项目参与方包括IBM、惠普、与波士顿大学合作的HRL实验室、哥伦比亚大学、康奈尔大学、斯坦福大学、加州大学美熹德分校和威斯康星大学麦迪逊分校。

       蔡少棠早在1976年就在他的IEEE学报论文——忆阻性器件和系统中预测了忆阻器在人工神经网络中的应用。他在论文中指出，针对神经元的神经系统科学标准模型——Hodgkin-Huxley模型在数学上与忆阻器完全一致。今天这个观点已经被HRL实验室(以前的Hughes研究实验室)以及神经与新兴系统中心CNES)所证实，后者支持将忆阻器用作人工突触，并得到了DARPA的SyNAPSE计划的资金支持。

       “我们的神经形态架构使用了丰富的可编程的类人脑连接。”HRL实验室SyNAPSE主任研究员Narayan Srinivasa表示。

       “为了实现这种连接，我们将忆阻器阵列与神经形态架构分割开来，将交叉矩阵放在一个芯片上用于存储synaptic导体，后者再由独立的神经形态芯片加以驱动。”

       在第一次试制过程中，HRL实验室的双芯片解决方案模拟了实际大脑的一个层。然而，神经学习的最有趣方面是使用多达6个层。为了模仿人脑皮层的所有6层，需要使用具有6个层的三维忆阻性阵列。

       “目前我们专注于构建二维交叉矩阵，目的是最大程度地减小风险，尽可能提高成功的概率。”Srinivasa指出，“但最终我们想把阵列扩展到三维空间，用于模拟在人脑中发现的真正的突触结构。”