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详解忆阻器石墨烯:未来的电子器件

  介绍的两种未来的电子器件就是“忆阻器和石墨烯”。近年来随着各国电子界对两者研究的深入,样品的出现,证实了理论的可行,引起了业内高度的重视。对于它们的功能和未来的作用预测颇多。有的认为犹如晶体管替代电子管那样将会出现一场“革命”。如今,国内很多学术及研究单位都已投入研究开发。本文仅根据收集到的一些资料对它们的原理和未来做一些介绍。

  一、忆阻器(Memristor)

  1,原理和现状

  忆阻器是一种通过控制电流的变化可改变其阻值,有记忆功能的非线性电阻。美国加州大学伯克利分校的华人科学家蔡少棠于1971年,从理论上预言存在除电阻器、电容器和电感器外的第四种基本电路元件——忆阻器。

  他当时发表的论文《忆阻器:下落不明的电路元件》提供了忆阻器的原始理论架构,推测忆阻器有天然的记忆能力,即使电力中断亦然。简单说,忆阻器是一种有记忆功能的非线性电阻。通过控制电流的变化可改变其阻值,如果把高阻值定义为“1”,低阻值定义为“0”,则这种电阻就可以实现存储数据的功能。

  蔡教授原先的想法是:忆阻器的电阻取决于多少电荷经过了这个器件。也就是说,让电荷以一个方向流过,电阻会增加;如果让电荷反向流动,电阻就会减小。简单地说,这种器件在任一时刻的电阻值是时间的函数,能记住多少电荷向前或向后经过了它。实质上,就是它的电阻会随着通过的电流量而改变,而且一旦电流停止,它的电阻仍然会停留在之前的值,直到接受到反向的电流它才会被推回去。

  这一简单想法如果被证实,将对计算及计算机科学产生深远的影响。

  2008年美国惠普公司实验室研究人员在英国《自然》杂志上发表论文宣称,他们已经证实了电路世界中的第四种基本元件——记忆电阻器,简称忆阻器的存在,并成功设计并制造出一个能工作的忆阻器实物模型。他们像制作三明治一样,将一层纳米级的二氧化钛半导体薄膜夹在由铂制成的两个金属薄片之间。忆阻器的组成部分只有5纳米大小,也就是说,仅相当于人一根头发丝的万分之一。

  华裔科学家37年前理论预测成真。

  此后学术界提出了“忆阻器有可能代替晶体管”这种说法。但更多的还是研究它的自动记忆能力和状态转换特性、人工智能和模拟存储。

  科学家指出,只有在纳米尺度上,忆阻器的工作状态才可以被察觉到。他们希望这种新元件能够给计算机的制造和运行方式带来革命性变革。科学家说,用忆阻电路制造出的计算机将能“记忆”先前处理的事情,并在断电后“冻结”这种“记忆”。这将使计算机可以反复立即开关,因为所有组件都不必经过“导入”过程就能即刻回复到最近的结束状态。让科学家能够用一种不同于编写计算机程序的方式来模拟大脑,或模拟大脑的某种功能,构造出基于忆阻器的仿生类大脑功能的硬件。这样的计算机可以做许多数字式计算机不太擅长的事情,例如图形识别,甚至是学习。比如,这样的硬件用于脸部识别技术,可以比数字式计算机上运行程序快几千到几百万倍。

  研究人员预测,这种技术产品5年后才可能投入商业应用。

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