记忆电阻的头脑：人工智能的未来新版

美科学家发明柔性记忆电阻技术

美国科学家宣布电子电路存在第四种基本元件——记忆电阻（简称忆阻）

在１９７１年，非线性电路理论先驱、美国加利福尼亚大学伯克利分校的华裔科学家蔡少堂就从理论上预言，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。实际上，忆阻是一种具有记忆功能的非线性电阻，可通过电流的变化控制其阻值的变化，如果将忆阻的高阻值和低阻值分别定义为１和０，就可以通过二进制的方式来存储数据。

如今，美国惠普公司实验室的斯坦·威廉斯和同事在进行极小型电路实验时终于制造出忆阻的实物模型。威廉斯等人在新一期英国《自然》杂志上撰文说，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。这些材料都是标准材料，制作忆阻的窍门是使其组成部分只有５纳米大小，也就是说仅相当于人的一根头发丝的１万分之一那么细。

科学家指出，只有在纳米尺度上，忆阻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。

记忆电阻的头脑：人工智能的未来新版

有过缺少点什么的感觉吗？如果有，你可不缺伴。1869年，门捷列夫注意到他的元素周期表中有4个空格时也有这种感觉。结果证明它们是当时还没发现的元素----钪、镓、锗和锝。1929年，狄拉克在深入研究他写出来用来描述电子的量子力学方程时也是如此。除了电子，他发现还有一些看起来像电子，但又不同的东西。只有到了1932年，人们在宇宙射线中找到了电子的反物质姐妹----正电子时，才发现这种东西的确存在。

1971年，Leon Chua也有过那种感觉。当时他还是加州大学伯克利分校的一位年轻电子工程师，对数学充满兴趣，他被电子学缺乏严格的数学基础这一事实所吸引。于是，像其他勤奋的科学家一样，他开始试着自己去推导一个。

他发现少了些东西：那是除电阻、电容和电感组成的三大标准元件之外的第四种基本电路元件。Chua把它叫做“记忆电阻器”。唯一的问题是，就Chua和其他人所知， 现实中未曾出现过记忆电阻器。

但是它们的确是存在的。在最近几年，记忆电阻器已从晦涩的术语演变成物理学中最热门的一个特性。它们不仅已经被制造出来，而且它们独一无二的本领可能会给消费电子带来革命性的变化。更重要的是，它们在完善电子学的同时，也许还可以解决一大谜题，即大自然如何创造出最精妙最强大的计算机--大脑。

对于一个纯逻辑在开始时取得了胜利的故事，这也算得上是一个合适的高潮吧。早在1971年，Chua考察了确定一个电路的四个基本参数。第一个是电荷。然后是随时间而变化的电荷，就是我们更熟悉的电流。电流产生磁场，引出了第三个变量----磁通量，它刻画了磁场的强度。最后，磁通量随时间变化，产生了我们称之为电压的参数。

从数学角度来说，4种东西互连在一起可以有6种关联方式。电荷与电流，以及磁通量与电压，通过它们的定义关联在一起。这是两种。还有三种联系与三种传统电路元件有关。电阻是电流流过时能产生电压的元件。对于一个给定的电压，电容会储存一定量的电荷。让电流通过电感器，就会产生磁通量。这样就有5个了。少了点什么？

的确如此。连接电荷和磁通量的元件哪儿去了？简短的回答是不存在。但是应该是有的。

Chua着手探索这样一个元件会有怎样的功能。那是用电阻、电容和电感器组合不出来的一种元件元件。因为移动的电荷会产生电流，变化的磁通量会产生电压，新的设备会像电阻一样从电流中产生电压，不过产生的方式更复杂更动态。事实上，据Chua推断，它工作起来会像一个能“记住”先前有多大的电流从上面流过的电阻（如图）。记忆电阻器就这样诞生了。

不过，它被迅速地遗弃了。虽然它在理论上很受欢迎，但是似乎没有一种物理器件和材料能产生这种“带记忆的电阻器”的效果。从那时起，Chua就一直忙于电子学基础理论方面的工作，但是就连他自己也没对他的“宝贝”抱多高的希望。“我从没想过在我的有生之年能看到这样一个的器件，”他说。

他忽略了加州帕洛阿尔托市惠普实验室的一位高级研究员Stan Williams。在21世纪初，Williams和他的小组在设想，能不能用如下方式制造一个低功率快速开关：将两个微小的二氧化钛电阻摞在一起，利用一个电阻中的电流，以某种方式控制另一个电阻的开与关。

纳米尺度下的新颖性

他们发现他们可以制造出这样的开关，但是不同开关中的电阻表现出的特性用传统模型无法预测。Williams被难住了。这样过了三年；一次偶然的机会，他的一个同事提醒他关注一下Chua的研究成果，这样才得到了启发。“我意识到，我写下来描述我们的设备的那些方程，和Chua的非常相似。”Williams说。“然后一切都顺理成章了。”

发生的事是这样的：在纯净状态下，二氧化钛是由一个钛原子和两个氧原子组成的重复单元，此时它是半导体。但是如果加热这种材料，氧原子会被赶出这种结构，剩下带电的空穴，此时材料就表现得像金属一样。

在Williams的开关中，上层电阻是由纯半导体制造的，而下层是由缺失氧原子的金属制造的。在开关上施加电压，金属中带电的空穴会向上移动，这样从根本上降低了半导体的电阻，将它变成了完全的导体。施加反方向的电压，情况会向另一个方向变化：空穴反过来渗回下层，上层就会变成高电阻的半导体状态。

关键是，每次切断电压时，系统就停止转动，电阻状态被冻结。但重新接通电压后，系统会“记得”之前它在哪里，并从相同的电阻状态中醒转（Nature, vol 453, p 80）。Williams意外地造出了一个Chua描述过的记忆电阻器。

Williams也可以解释为什么以前从来没有人见过记忆电阻器。因为这种效果有赖于原子级的运动，只有在Williams的器件这种纳米尺度下才会突然表现出来。他说：“它在毫米尺度下，基本上是无法观察到的”。

不管是不是具有纳米尺寸，人们很快明白了记忆电阻器可以有多大用处。据Williams说：只用几微微焦耳的能量，就能在几纳秒内，以记忆电阻器的电阻状态将信息写进材料中----“要有多好就有多好。“ 而且数据一旦写入，即使切断电源，记忆性内存仍然保持写入时的状态。

内存模块

这是一个启示。50年来，电子工程师一直在建造由数十个晶体管----内存芯片的构建模块----组成的网络来储存每字节的信息，却不知道他们试图模拟的正是记忆电阻。现在，Williams站在Chua的肩膀上，表明了他们需要的只不过是一个极小的元件。

它最直接的潜在用途是作为闪存的强大代替品----就是应用在相机和usb内存棒中的那种，要求具有快速写入和重写能力。像闪存一样，记忆电阻内存也只能被改写10000次左右，然后器件中频繁的原子移动会损坏它。这使它不适合用作电脑的内存。但是，Williams 还是相信将来也许可以改进记忆电阻器的耐用性。他说，到那个时候，它们刚好可以用来制造超快随机储存器（RAM)----电脑用来储存动态数据的工作内存，而且最终甚至可能用于硬盘驱动器。

如果这篇文章只是关于电子学中一项常规的突破，那也没什么好说的了。单单是更好的储存材料并不能让我们激动不已。如今我们都已经将越来越敏捷的消费电子产品当成了自己的基本权利，因而对使之成为可能的基础物理学进展出奇地冷漠。记忆电阻器都有什么不一样的地方呢？

要解释清楚这一点，得戏剧性地将场景变换到粘糊的多头绒泡菌（Physarum polycephalum）世界。保守地说，这种大型软胶质单细胞有机体是一些拥有惊人智能的家伙。它可以感知周围环境并对它作出反应，而且甚至还能解决简单的谜题。不过，它最不同凡响的技能，是去年由位于日本札幌的北海道大学的Tetsu Saisuga及其同事报告的：它可以对周期活动进行预期。

我们所知道的情况是这样的。多头绒泡菌能通过传递一种水样物质四处移动----这种物质因为其内部具有黏性和呈凝胶状而被称为溶胶（sol）----可以让它往某个特定方向伸展。在室温下，这种黏菌以极慢的速度移动，每小时大约移动1厘米，但是你可以通过向它吹送一股暖湿空气来加速它的移动。

你也可以用干冷的微风减慢它的速度，日本研究人员采用的正是这种方法。他们让菌体在冷空气中暴露10分钟，然后再让它重新暖和一段时间，如此反复三遍。毫无疑问，黏菌随温度改变而适时地减慢或加快移动速度。

但是接下来他们改变了规则。他们没有向多头绒泡菌吹第四股冷风，而是什么都不做。黏菌的反应很令人注目：它一边期盼着那股一直没有到来的冷气，一边再次慢了下来(Physical Review Letters, vol 100, p 018101)。

值得我们花点时间来想一下这意味着什么。不知怎的，这些单细胞生物能记住了它经历过的事件模式，并且会通过改变它的行为来期盼一个未来的事件。这种事对我们人类来说也是够麻烦的，更别说对一个没有属于自己的神经元的单细胞生物了。

这份日本报纸引起了加州大学圣地亚哥分校的物理学家Maz Di Ventra的注意。认同Chua的工作成果的人为数不多，他是其中之一。他意识到黏菌的像工作方式跟记忆电阻电路一样。为证明他的论点，他和他的同事动手搭建了一个可以像黏菌一样工作的电路，能够学习并预测未来的信号。

结果这种模拟电路很容易获得。电路外加电压的改变模拟了黏菌环境温度和湿度的改变，而记忆电阻元件两端的电压则代表了黏菌的移动速度。以正确的方式搭好电路，记忆电阻的电压可以随着任意外部电压脉冲序列的节奏变化。经过一个由三个等间距电压脉冲组成的序列的“训练”后，在随后的脉冲没有出现的情况下，记忆电阻的电压重复了它的响应。

Di Ventra推测黏菌溶胶与凝胶成分的黏度，构成了对记忆电阻的一种机械模拟。当外部温度提高时，凝胶成分开始分解并变得不那么粘，这样就创造了一个溶胶可以流过的通道，并加速了细胞的移动。降低温度则逆转了这一过程，但是怎样恢复初始状态取决于通道在哪里形成，因此取决于细胞的内部历史。

以真正的记忆电阻方式，Chua也预期过这样的思想：记忆电阻也许可以揭示生物有机体是如何进行学习的。在完成关于记忆电阻器的第一篇论文时，他对神经突触入了迷----突触是较高级生物中神经冲动一定要经过的神经细胞间的间隔。特别地，他注意到它们对穿过每个细胞膜的钾离子和钠离子的涨落所作的复杂电反应，这些反应可以让神经突触根据信号频率和强弱的改变而作出响应。它看起来跟记忆电阻器产生的响应令人发狂地相似。“接着我意识到神经突触就是记忆电阻器，”他说：“这种离子通道正是我一直在寻找的缺失的电路元件，它的确存在于大自然中。”

对Chua来说，所有一切都指向一个令人难以接受的事实。尽管经过了多年的努力，建造电子智能以模仿大脑那令人敬畏的能力方面的尝试，一直没有取得什么成功。那也许仅仅是因为缺少了关键的电子元件----记忆电阻器。

那么，现在我们已经找到了它，是不是说人工智能的新纪元也许即将来临了呢？国防高级研究项目署（DARPA）的确这样认为。DARPA是美国国防部的一个部门，具有支持互联网之类高风险高回报项目的光荣历史。去年四月，它宣布了神经形态自适应具有可塑性的可伸缩电子系统计划（缩写为：SyNAPSE)，用来发展“可扩展到生物层次的电子神经形态机器技术”。

我，记忆电阻器

来自惠普公司的Williams小组积极地参与了这个计划。去年年底，在美国能源部一家名叫“SciDAC评论”的不起眼期刊上，他的同事Greg Snider发表了如何组装一个基于记忆电阻的芯片，以便测试更复杂的神经突触模型。他指出人类大脑皮层神经突触的密度为1010个每平方厘米，而现在的微处理器只能达到这个密度的十分之一。他说：“这就是为什么人工智能的机器还没有在大街上走来走去的一个重要原因。”

Snider的梦想在于一个被他称作“皮质计算”的领域----驾驭记忆电阻器提供的种种可能来模拟大脑神经元如何互动。这是一个全新的思想。Williams说：“人们把这种网络跟神经网络弄混淆了。”但是神经网络----那是此前制造人工大脑的最大希望----是在标准计算机硬件中运行的软体。他说：“我们瞄准的目标实际上是体系结构上的一种改变。”

第一步已经迈出了。Williams和 Snider跟Boston大学的Gail Carpenter和 Stephen组成小组（后者是将神经行为化为微分方程的先驱），来建造晶体管-记忆电阻混合晶片，以复制大脑的思维进程。Di Ventra和他的同事Yuriy Pershin走得更远，他们制造了一个自称能像真家伙一样运作的记忆电阻神经突触。

制造电子大脑只是早晚的问题了。Williams说：“我们还在努力研究芯片。” 其中的部分问题在于芯片智能度太高——它输出的不是标准的数字脉冲，而是模拟信号，因此用于测试芯片的标准软件不适用了。所以，Williams和他的同事不得不开发自己的测试软件。他说：“所有一切都需要时间。”

同时，Chua也没有躺在功劳簿上休息。他一直忙于扩展自己的基本电路元件理论，寻思如果把记忆电阻的特性和电容、电感器结合在一起，制成被称作“记忆电容”和“记忆电感”的复合器件，情况会怎样？然后如果将这些器件组合在一起又会发生什么，等等。

"记忆电容可能比记忆电阻更有用，“Chua说：“因为它们没有电阻值。”至少在理论上，用记忆电容储存信息可以不消耗丝毫能量。真是方便极了----不管你想用它们来干什么。Williams也同意这种说法。事实上，他们研究小组已经在研究这种东西了，今年早些时候他们制造了记忆电容的第一个样机，他打算尽快公布这项成果。他说：“我们还没有完成它的特性描述。”他还说：同时有这么多根本性的突破可以研究，很难决定下一步要干什么。可能记忆电阻能帮得上忙。

美科学家发明柔性记忆电阻技术

美国标准技术研究所（NIST）最近宣称他们发明了一种新的内存技术：柔性记忆电阻技术。这是一种新型的记忆电阻技术。这种记忆电阻是由钛氧化物制成，钛 氧化物是制作防晒油和牙膏等的常见材料。科学家们用这 ...

美国标准技术研究所（NIST）最近宣称他们发明了一种新的内存技术：柔性记忆电阻技术。这是一种新型的记忆电阻技术。这种记忆电阻是由钛氧化物制成，钛 氧化物是制作防晒油和牙膏等的常见材料。科学家们用这种氧化物制成柔性透明聚合物薄片，并在上面制出触点，便可将其用于制造记忆电阻。这种记忆体可以在低 于10v的电压下工作，而且断电后也可以保存数据，材料的伸缩寿命是4000次。

NIST的研究小组把用溶胶-凝胶法制备的液态钛氧化物喷涂在透明薄片上，并在室温下干燥，如此得到的产品可以在掉电状态下将数据保持14天。

上世纪70年代，人们首次提出了记忆电阻的概念，不过直到2008年惠普才开发出了有关的实际产品。记忆电阻可以在没有电流通过的情况下保存数据，而电阻的阻值会随着电流数值和电流方向的变化而发生明显的变化。

正常状态下，这种电阻的阻值很低，而如果改变电流方向则会出现阻值大幅增加的现象。这样就可以被应用在内存中，用来模拟数字信号的“0”和“1”。而这种阻值状态即使长时间掉电也不会发生变化，因此可以随时通过测量电阻的阻值来得到存储在其中的信息。NIST发明的记忆电阻技术则可以在掉电状态下将数据保存14天。

柔性记忆电阻技术可以用于制造柔性芯片，后者用途广泛，医学上还可以用于制造心率/血流监视器。