多头绒泡菌，一种黏乎乎的粘菌类的奇妙行为与人类智力之间究竟存在着什么样的联系？而忆阻器的研究一开始就是一个纯逻辑问题的胜利――一种以往人们不知其存在的电子元件将为我们揭开这个秘密。
您是否有缺失过什么的感觉吗？如果有，您不会是唯一有这样感觉的人。著名的俄国化学家D·门捷列夫（D.Mendeleev）在1869年发现他的元素周期表中有4个空位缺失时，也正是这种感觉――当时尚未被发现的元素是钪、镓、锗和锝。1929年，英国物理学家保罗·迪拉克（Paul Dirac）在探研他用来描述电子的量子力学等式时，同样也有这种缺失感――他发现除了电子之外，还有与电子似乎很相像、但又完全不同的物质。一直到1932年，当电子反物质的“兄弟”正电子在宇宙射线中被发现时，才证明了他怀疑的这种物质确实存在。
寻觅缺失的一环
1971年，加州大学伯克利分校的一位对数学充满兴趣的年轻电子工程师蔡少棠（Leon Chua）也有过这种感觉，他被一个没有严格数学依据的电子工程学上的事实所吸引，便锲而不舍地尝试着推导出一个数学等式。
根据推导出的等式，蔡少棠真的发现了某种缺失的东西：即除了电阻器、电容器和电感器这三大标准元件之外的第四种基本电路元件，他将其定名为忆阻器（memristor），也叫做记忆电阻器（memory resistor）。然而对于蔡和其他研究人员来说，当时的问题是无法将这一设想付诸实现，让其成为一种物理实体上的存在。
能够记忆所经历时间并能对未来预测的多头绒泡菌，是蔡少棠“记忆”中缺失的一环
在最近几年里，忆阻器已从晦涩的专业术语演变成物理学研究中的热门课题之一。忆阻器不但被制造出来，其独特的性能还可能给电子类消费产品领域带来重大变革。更重要的是，忆阻器的出现，除了填补了基本电路原件的空白之外，还有可能解开智力之谜：大自然是如何创造出最精妙绝伦的天然计算机――大脑的。
早在1971年，蔡就开始研究电路的四个基本特性（参量）。首先是电荷，电荷随时间的流逝发生改变，这就是众所周知的电流，电流产生磁场，导致产生第三个变量――磁通量，其表达了磁场的强弱。最后，磁通量随时间的改变，变产生了我们称为电压的参量。
从数学角度来判断，上述四个互相关联的参量可以6种方式联系起来。电荷和电流、磁通量和电压是其中的两种，还有三种关联方式分别与3种传统电路元件有关：电阻器元件的工作原理是，通过电流产生电压；电容器的工作原理是，给定电压的电容器能够储存一定量的电荷；而电感器的工作原理是，电流通过电感器产生磁通量。这样就构成了五种关联方式，那么是否还缺失了一种关联方式呢？
确实缺失了其中的一环，即连接电荷和磁通量的元件。但它在哪里？答案是否定的，然而它应该是存在的。
蔡开始探索什么样的元器件能够拥有这样的功能，这决不是电阻器、电容器和电感器的任意组合能够产生的元件。鉴于移动的电荷产生电流、变化的磁通量产生电压，这种新的元器件应该像电阻器那样（从电流中产生电压），是以更加复杂和动态的方式进行。事实上经过蔡的计算，已推断出一个拥有记忆能力的电阻器框架，即能够记住先前流经它的电流（见上图），记忆电阻器的概念就此诞生了。
遗憾的是这一设想很快被束之高阁。尽管从理论上说这一概念令人振奋，但却似乎没有一种物质化的元器件或材料能够同时拥有阻抗和记忆功能。自那以后，蔡一直忙于探研电子工程学的一些基本原理，即使他本人对这一设想也没抱多大期望。“我从没想过在我有生之年还能亲眼看到这样的元器件问世，”他曾如此说道。
新颖的纳米元件
令蔡没有想到的是，加利福尼亚州帕洛阿尔托惠普实验室的高级研究员斯坦·威廉斯（Stan Williams）实现了他的梦想。21世纪初，威廉斯和他的研究小组就开始琢磨，能否把两个二氧化钛电阻以叠加的形式做成反应快、耗能低的开关，即通过电阻中的电流和另一个电阻中的电阻进行转换。
尽管威廉斯团队认为这样的开关是可以制造出来的，但由于开关中的阻抗性能各异，用传统的模型根本无法进行预测，威廉斯为此一筹莫展。3年后，当他在一次偶然的机会中了解到蔡的设想后，顿时有一种豁然开朗之感。“我突然发现，我所描述的这一元器件的等式与蔡的设想何其相似，”他说，“一切也就说得通了。”
在纯状态下，一个钛原子和两个氧原子为单位构成的二氧化钛是一种半导体。但在由二氧化钛构成的材料被加热时，氧原子从结构中被驱逐出去，只留下一些“带电气泡”，使得这种材料拥有了金属导体的特性。
在威廉斯设想的开关中，上层电阻是由纯半导体制造的，下层是由缺失氧原子的金属导体制造的。在向这一开关器件施加电压时，金属导体中的“带电气泡”从下层向上移动，大大降低了半导体的电阻，使其变成完美的导体；而此时从另一个方向类似旋转木马般反向旋转的“电荷气泡”则流向下层，使上层电阻回复到高电阻的半导体状态。
至关重要的一点是，当电压被切断后，“旋转木马”停止运转，电阻不再发生变化；然而当电压再次接通时，系统会“记住”之前的状态，从先前电阻的状态中被“唤醒”。于是，威廉斯研制出了蔡曾经描述过的记忆电阻器，同时也解释了为什么记忆电阻器之前一直未能问世的原因：“记忆”效应所依靠的是原子级的移动，只有在他设计的纳米尺度的元器件中才能产生原子级的移动。
记忆电阻器潜在的应用前景变得清晰起来，即只需几皮焦耳的能量，信息就能在几毫微秒的时间内以电阻的即时状态被记录下来。“正是太理想了。”威廉斯称。数据一旦写入，在电源被切断之后，记忆电阻器仍然能够在重新通电后恢复原先的电阻状态，“记忆”起所写入的信息。
有记忆的闪存模
这是一个重大的发现。50年来，电子工程师们一直在制造着由数十个晶体管组成的集成电路，以此作为芯片的基础来储存一个个由字节构成的信息，然而却不知道他们所模拟的正是记忆电阻器的功能。如今，在蔡的设想启发下发明的记忆电阻器向人们展示，只要一个小小的元器件就能代替以往电子工程师们所做的一切。
记忆电阻器最直接的用途有可能成为闪存模的代替品。闪存模目前用于一些拥有快速读写能力的应用中，譬如照相机和U盘储存器等。和闪存模类似，记忆电阻器的读写寿命只有1万次左右，之后会因其内部的原子活动而遭致损坏，不适宜用作电脑的内存。但威廉斯相信，如果能够找到提高记忆电阻器使用寿命的途径，那将是超高速随机存储器（RAM）的理想选择。RAM是计算机在工作状态下用来存储数据的存储器，而记忆电阻器最终有可能应用于硬盘。
故事到这里并没有结束。我们也许一直重视于为消费者提供更多更好的电子产品，然而却往往不怎么关注促使这一切成为可能的基础物理学的一些重大进展。那么，现在就来了解一下记忆电阻器究竟有哪些不同凡响的地方？
要解释这个问题，让我们先切换到另一个场景中去看看――一个充满了黏糊糊生命的多头绒泡菌（Physarum polycephalum）世界。可以毫不夸张地说，这种黏糊糊的单细胞生命体拥有惊人的智力，可以感知周围环境并作出反应，甚至拥有解决简单问题的能力。然而去年日本札幌北海道大学的Tetsu Saisuga和其同事却发现：多头绒泡菌还具有对周期性活动的预测能力。
来自粘菌的启示
我们知道，多头绒泡菌内部有一种黏性的凝胶状物质，可以向某个特定方向延展移动。在室温条件下，其移动速度极慢，大概每小时1厘米，但通过提供温暖潮湿的空气可加快其移动速度；反之，利用寒冷干燥的环境条件可减缓移动速度，这是日本研究人员所用的方法。他们让菌体置于寒冷干燥环境中达10分钟，然后在逐渐温暖的环境中置于一段时间，如此重复3次，如其所料，多头绒泡菌随温度改变而减慢或加快移动速度。
接下来研究人员改变了“游戏规则”，他们没有继续给多头绒泡菌提供冷空气环境，什么都不做；而此时粘菌反应不同寻常，它的速度再次慢下来，虽然冷空气并没有如它们所预期的那样再次到来。这意味着什么？说明了这些单细胞生物拥有某种能力，即能够记忆所经历事件的模式并能对未来作出预测。这种预测能力即使对于我们人类来说也是相当困难的，更何况是这种没有神经元的单细胞生物。
但神奇的是，一种不拥有神经细胞的单细胞生物却能记住它曾经历过事件的模式。
加州大学圣地亚哥分校的物理学家梅泽·迪文特拉（Maz DiVentra）是最早对蔡的设想进行研究的科学家之一。他发现粘菌的行为与记忆电路的工作原理十分相似，为了证明这一点，他和其同事尝试着建造一个类似粘菌工作的电路――具有学习并预测未来能力的电路。
具体过程是：通过从外部对电路施加电压的变化以模拟粘菌环境温度和湿度的变化――从记忆元件通过的电压代表着粘菌移动的速度――在适当的变化条件下，记忆电阻的电压随外部电压脉冲的节奏而改变。在经过3次相同节奏电压脉冲的“训练”后，记忆电阻的电压在脉冲没有出现的情况下重现了之前的反应。
迪文特拉认为，粘菌中凝胶体黏性成份的行为是记忆电阻中的机械模拟，外部温度提高时，凝胶成分开始分解和黏性降低，细胞移动速度随之加快；温度降低时则逆转这一过程，并依据细胞内部的“历史记录”回复到起始状态。
忆阻器材料构成图
蔡认为，记忆电阻拥有的记忆方式与生物有机体的学习方法有异曲同工之妙。蔡在完成了关于记忆电阻器的第一篇论文后，开始沉迷于神经突触的研究，后者的功能是在高级生物的神经细胞间传递和存储信息。蔡特别注意到钾离子和钠离子通过神经细胞的细胞膜时，其强弱消长所产生的复杂电反应（神经突触根据信号的频率和强弱相应改变它们的反应），与记忆电阻器产生的反应何其相似。“于是我明白，这些神经突触就是生物学上的‘记忆电阻器’，”他说，“而这样的离子通道则正是我所寻觅的缺失一环的电路元件。我还在苦苦寻觅，而它在自然界中却早已存在。”
前景广阔的技术
对蔡来说，所有的这一切都指向一个无可争辩的事实，尽管人类多年来在努力尝试建立一个能模拟大脑强大功能的电子智能系统，然而却进展甚微。也许只是因为我们缺少了一种关键的电子元件――记忆电阻器。
现在我们已经有了记忆电阻器，这是否意味着人工智能的新纪元即将到来？美国国防部高级研究计划署（DARPA）认为应该如此。DARPA一向以支持高风险、高回报的科研项目而著称（例如互联网），去年4月，DARPA宣布了一项神经形态工程学的研究计划（简称为SyNAPSE），旨在研发可达到“生物学层次的电子神经形态技术”。
来自惠普公司的威廉斯团队是该计划的一个重要参与者。去年年底，威廉斯的同事格雷格·斯奈德（Greg Snider）在美国能源部的“SciDAC评论”上作了相关的陈述，提到用记忆电阻器芯片来进行更为复杂的神经突触模型试验的可能。他指出，人类皮层神经突触相当密集，其数量每平方厘米达到1010；而目前的微处理器处理信息的能力只有它的十分之一，“这就是为什么人工智能机器还未能行走在大街上的一个重要原因，”斯奈德说。
斯奈德梦寐以求的理想寄于一个他称之为“大脑皮质计算机”的领域：通过驾驭利用记忆电阻器的种种可能来模仿大脑神经元是如何实现互动的，这是一个全新的想法。“人们往往将这样的网络与神经网络混为一谈，”威廉斯说。然而它们并不一样，神经网络――以前创造人工大脑的最佳希望――是在计算机硬件中运行的软件程序，“而我们的目标是要从构造结构上来一个根本性的改变。”
第一步正在进行之中。威廉斯和斯奈德已与波士顿大学的斯蒂芬·格罗斯伯格（Stephen Grossberg）等人组成了一个研究小组，旨在研制一种能复制大脑思维过程的晶体管-记忆电阻混合型芯片。迪文特拉和其同事尤里·珀欣（Yuriy Pershin）甚至进展得更快，据称，他们研制出的人造记忆神经突触其性能堪与真正的神经突触相媲美（www.arxiv.org/abs/0905.2935）。
看来，电子大脑的出现只是时间的问题；然而其中一个问题竟是这种芯片的智能化程度太高。与普通芯片的数字脉冲输出不同，它输出的是模拟信号；而用于数字芯片的测试软件对这种芯片却无能为力。威廉斯和他的同事不得不开发他们自己的测试软件，“所有这些都需要时间，”他说。
同时，蔡也并不止步于如今取得的成就和荣耀，目前正忙于扩展他的基本电路元件的理论和提出一些新的想法。譬如，如果把记忆电阻器的特性和电容器、电感器的特性综合起来制造出的记忆电容器或记忆电感器，又将会是怎样的一种情况呢？如果再把这些元器件组合起来又会发生什么？等等。
“记忆电容器可能比记忆电阻器的用途更为广泛，”蔡说，“因为它们没有任何电阻。”至少从理论上来说，记忆电容器可以不消耗任何能量来储存信息，无论你要它们做什么都将方便之极。威廉斯对此想法也极为赞同。事实上，他的研究小组已经开始着手研究了，今年年初就已经制造出第一个记忆电容器的样品，这项研究成果他准备在近期公布。“我们还未深入研究它的特性。”威廉斯说。如此多的基础科学的重大突破要着手去研究开发，可能一时很难决定下一步先做什么，也许开发忆阻器技术是最优先的选择。
资料来源 New Scientist
责任编辑 则 鸣
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任教于加州大学伯克利分校、并任中国台湾新竹交通大学电子工程系荣誉教授的蔡少棠（Leon Chua）38年前就曾预测，除了电容器、电阻器和电感器这三种基本电路元件之外，还有第四种电路元件忆阻 器的存在，他甚至以一组数学方程式精确地描述了它的特性及工作方式。但遗憾的是，他未能将这种数学表达式在物理实体上予以实现。38年后，惠普实验室的科学家终于制造出了第四种基本电路元件--忆阻器或称记忆电阻器，其拥有的记忆特性极有可能取代目前的动态随机存取存储器（DRAM），使得以人类大脑处理信息方式的模拟计算机的出现成为可能。