记忆式电阻 颠覆PC架构的革命？

你有没有想过，NAND闪存其实毛病多多？要不然你买SSD的时候怎么会特别关注闪存的读写寿命呢。不少人一直在寻找NAND的替代品，现在这种东西已经出现了。但这东西野心不小，不但有实力取代NAND闪存，而且有望带来一场颠覆现有PC架构的革命。这东西叫做记忆式电阻。

一个伟大的数学模型

目前的存储芯片类型主要分为RAM和NAND闪存。它们的特征很明显：RAM速度超快就是记性不好，掉电就丢失数据，因此适合用于内存及高速缓存；NAND正好相反，掉电也能保持数据但速度慢了许多，因此广泛用于存储类的产品里。

实际上NAND的毛病不少，位翻转(bit-flipping)、坏块(bad blocks)、单元损耗等问题一直如瘟疫般存在。不过通过ECC校验、主控固件优化等辅助手段，这些缺点所带来的影响已经很小。虽然速度慢一点，但是有“记性好”这层优势，价格也在不断下降。在没有其他可靠方案的前提下，NAND是当前存储产品的不二选择，在闪存市场处于绝对统治地位。但NAND在容量提升方面也开始逐渐遇到瓶颈，所以人们也在研究各种能替代NAND闪存的技术。这其中，记忆式电阻(Memristor，以下简称忆阻)是有希望的明日之星。

从理论上讲，忆阻并非新鲜事物。早在1971年，加州大学伯克利分校的Leon O.Chua(蔡少棠)教授就发表过名为《Memristor——The Missing Circuit Element》的论文，提出了忆阻的理论基础。蔡教授在研究电流、电压、电荷和磁通量的关系时推断，除电容、电感和电阻之外，电子电路还应该存在第四种基本元件——忆阻。忆阻可通过电流的变化控制其阻值的变化。对材料施压电压脉冲后，材料会产生高电阻值；反之，从另一个方向施加电压脉冲则会使材料转变成低电阻值，并且其阻值在断电之后亦能保持。

这个理论完全是基于数学模型(图1)来推断的，蔡教授当时也找不到实际材料来证明。实际上这个理论提出之后就一直被束之高阁。1971年，PC才刚刚诞生，Intel才刚刚推出第一款微处理器4004。忆阻这种东西……那是相当科幻。

图1.忆阻的理论模型。从图上看，除了电阻、电容、电感以外，右下角的忆阻应该也是存在的。

图2.宏观化的忆阻单元模型，构造十分简单。

革了NAND的命

40年后，这项理论研究终于被业界所关注，实际上这是个意外。惠普实验室的斯坦·威廉斯等人只是在进行一项名为Crossbar Latch的技术研究。Crossbar Latch将电线纵横交错组成网格，在每个交叉点上需要一个“开关”来连接纵横的两条电线。如果能让这两条电线控制“开关”的状态，那么网格上的每一个交叉点都能储存1bit数据。这种技术下数据密度和存取速度都是前所未闻的，但这个开关该用什么材料来做？这种材料必须有允许或阻止电流通过的两个状态，并且这种状态可被操纵——这种构想有点太理想化了，威廉斯等人很头痛。不过他们在研究二氧化钛的时候发现，二氧化钛薄膜在电场作用下会产生电阻变化，从而想起这似乎就是传说中的“忆阻效应”。2008年4月，威廉斯等人将一层二氧化钛薄膜夹在两个由铂制成的金属薄片之间，首次做出了忆阻的实物模型。由此可见，从基础理论研究到实际生产，真是需要足够的耐心。这项技术近40年都无人问津，以至于当惠普实验室与蔡教授联系时，还让他吃了一惊。

随后松下、富士通、索尼、美光、尔必达等大厂纷纷投身其中，忆阻成为了热门技术。研究人员认为基于忆阻能够给现代PC带来革命性变革。因为它的优点非常明显：

制造简单：和越来越步履维艰的半导体制造工艺不同，通过传统的光刻技术，将二氧化钛制成微型导线纵横交错相交，就能制造出忆阻。

性能强悍：现在先进的闪存制造工艺也才到22nm，而惠普的忆阻模型里面的“开关”仅3nm，并且忆阻很容易堆栈形成立体的存储结构，从而实现理论上每平方厘米100GB、每立方厘米1PB(1PB=1024TB)的惊天存储密度。“开关”的切换速度仅为1ns，已经超越了NAND闪存，性能直逼DRAM。此外，基于忆阻的ReRAM存储芯片几乎是能够不限次数地擦写数据——三星近期推出的ReRAM可擦写次数为1012(1万亿)次，比NAND可靠得太多了。

记性特好：忆阻能够让电脑“记忆”先前处理的事情，并在断电后仍保持这种“记忆”。这让启动电脑能跟打开电灯一样快。笔记本电脑及其他掌上设备的续航时间会更长，并且就算拔掉电池很久之后仍能保持上次使用的信息。

目前，忆阻还有一些问题需要解决。其中重要的就是要减少忆阻的擦写电流大小。伴随着高速的存取操作，忆阻阻值会出现波动，这种波动会降低ReRAM的品质。富士通实验室通过在氧化镍层里掺杂钛并对晶体管进行限流后，成功地将擦除电流降低到了100μA以下，阻抗波动也减少了九成。

2010年8月，惠普与海力士合作开发出基于忆阻的ReRAM芯片；2012年5月，伦敦大学电子和电气工程学院公布了业界第一个纯粹基于氧化硅的ReRAM芯片；松下宣布会在2013年开始量产ReRAM。首批ReRAM将采用早已淘汰的0.18μm制作工艺，容量为128KB，可用于火警报警系统等需要高响应速度但构造简单的设备中使用。惠普预计未来3年内，可以实现4层25nm制造工艺，所生产的ReRAM存储密度高达每平方厘米20GB。

忆阻的广阔天地

显然，仅仅用于生产ReRAM并不能满足忆阻的雄心壮志。惠普在研究 Crossbar Latch时就已经断言，这种网格结构由于在每个交叉点都有开关，因此能够模拟一些逻辑电路。惠普还提到过如何模拟AND、OR 和 NOT 三大逻辑门，从而执行加法运算之类的功能。照这样的趋势发展下去十分有趣，存储设备自身就可以进行数据处理，也许那个时候的“硬盘”会自主决定，自身哪些地方用于处理数据，哪些地方用来存储数据。

图3.惠普的Crossbar Latch作品外观及原理图。外观看起来像是在织网，但这东西却是存储领域的革命。

这种特性还带来了另一个惊人作用，就是可以模拟人脑运作机制。蔡教授曾指出，人脑其实就是典型的忆阻型逻辑架构。神经元以网络的方式相互联系在一起，各个神经元既能存储数据，又能处理数据——当然人脑里面不能叫数据，但原理相同。同时，忆阻能够记忆流经它的电荷数量，这种记忆并非二进制内非0即1的状态，而是包括了从0到1的所有过渡状态，这就类似于人类大脑搜集、理解一系列事情的模式。因此，基于忆阻架构的电脑将与冯·诺依曼架构的电脑完全不同，会更加接近于人脑，研究人员更容易以此构建出具有人脑仿生功能的硬件。你要问这种硬件有什么用？太多了，举例来说，图形识别和自我学习对于现在的PC而言是非常困难的事情，不论程序员们如何改进代码也很难实现。而如果PC采用了忆阻架构，就简单多了(笔者立刻想起了《终结者》里的天网……)。

总之，前途是光明的，道路是曲折的。忆阻有望结束晶体管一统天下的时代，其意义不亚于从电子管到晶体管的跨越。当然，要用忆阻模拟人脑还为时尚早，但用来存储数据很快就能实现。惠普已经宣布2013年要和海力士合作生产基于忆阻的存储设备，与闪存竞争。但从闪存目前的地位来说，这必然是一个缓慢的过程。不过忆阻表现出了如此多优秀的特征，足够给电脑带来革命性的变革。让我们期待开电脑像开灯一样快，期待人和电脑能够交流吧。