憶阻器

憶阻器
憶阻器
	國家能源技術實驗室研製的憶阻器
類型	被動
工作原理	憶阻
發明	蔡少棠教授（1971年）
投產年	HP Labs (2008年)
電路符號

憶阻器（memristor）又名記憶電阻（memory resistor 的混成詞），是一種被動電子元件。如同電阻器，憶阻器能產生並維持一股安全的電流通過某個裝置。但是與電阻器不同的地方在於，憶阻器可以在關掉電源後，仍能「記憶」先前通過的電荷量。兩組的憶阻器更能產生與電晶體相同的功能，但更為細小。最初於1971年，加州大學伯克利分校的蔡少棠教授根據電子學理論，預測到在電阻器、電容器及電感元件之外，還存在電路的第四種基本元件，即是憶阻器^[1]^[2]。目前正在開發憶阻器的團隊包括惠普、SK海力士、HRL實驗室（英語：HRL Laboratories）。

之後從2000年始，研究人員在多種二元金屬氧化物和鈣鈦礦結構的薄膜中發現了電場作用下的電阻變化，並應用到了下一代非揮發性記憶體-阻抗存儲器（RRAM 或 ReRAM）中^[3]^[4]^[5]^[6]^[7]。2008年4月，惠普公司公佈了基於TiO₂的RRAM器件，並首先將RRAM和憶阻器聯繫起來^[8]^[9]^[10]^[11]。但目前仍然有專家認為，這些實作出的電路，並不是真正的憶阻器。

背景

在蔡少棠教授1971年的論文中，他外推了對稱的非線性電阻（電壓與電流），非線性電容器（電壓與電荷），和非線性電感（磁通量與電流）之間的概念，並推斷出憶阻器作為一個類似於基本的非線性電路元件的，連接磁鏈和電荷。對比線性（或非線性）的電阻，憶阻器有一個動態的包括過去的電壓或電流的記憶的電流和電壓之間的關係。其他科學家已經提出動態記憶電阻器，例如伯納德建模的存儲電阻器（英語：Memistor），但是，蔡試圖引進數學一般性。

憶阻器的定義和批評

理論

在憶阻器中，磁通量（ $\Phi _{\mathrm {B} }$ ）受到累積的電荷（q）所影響。磁通量按電荷的改變率稱之為「憶阻值」^[12]：

M(q)={\frac {\mathrm {d} \Phi _{\mathrm {B} }}{\mathrm {d} q}}

故此憶阻值可以與其餘三種基本的電子元件作出比較：

電阻： $R(I)={\frac {\mathrm {d} V}{\mathrm {d} I}}$
電感： $L(I)={\frac {\mathrm {d} \Phi _{\mathrm {B} }}{\mathrm {d} I}}$
電容： ${\frac {1}{C(q)}}={\frac {\mathrm {d} V}{\mathrm {d} q}}$

當中 $q$ 是電荷； $I$ 是電流； $V$ 是電壓；而 $\Phi _{\mathrm {B} }$ 則是磁通量。

根據法拉第電磁感應定律及複合函數求導法則，可見憶阻器的電壓V是與電流I及憶阻值的積有關：

V(t)=M(q(t))I(t)\,

由此可見，憶阻器可以成為一個電阻器。但是「電阻」的M(q)會隨累積的電荷而改變。憶阻值可以說是隨流經憶阻器的電流歷史所改變，彷如在電容器的電壓一般。

憶阻器的行為是類似的其他三個基本組成部分。

	電荷( $q$ )	電流( $I$ )
電壓( $U$ )	電容(倒數) ${\frac {1}{C}}={\frac {\mathrm {d} U}{\mathrm {d} q}}={\frac {\mathrm {d} {\dot {\Phi }}}{\mathrm {d} q}}$	電阻率 $R={\frac {\mathrm {d} U}{\mathrm {d} I}}={\frac {\mathrm {d} {\dot {\Phi }}}{\mathrm {d} {\dot {q}}}}$
磁通量( $\Phi$ )	憶阻器 $M={\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} q}}$	電感 $L={\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} I}}={\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} {\dot {q}}}}$

實現

Intel與Micron聯合研發的3D XPoint。（Intel表示所用並不是ReRAM，根據推斷，為相變存儲器的可能性更大，此條消息存疑。）廠商表示，此技術的密度是DRAM的十倍、速度是NAND的千倍、寫入次數為10,000,000次。

潛在應用

威廉姆斯（英語：Richard Stanley Williams）的固態的憶阻器可以組合成所謂交叉開關鎖存器（英語：Crossbar latch）的設備，這可能會取代電晶體建造未來的電腦，佔用面積小得多。

種類

電化電池

憶阻器具有電化電池表現的特徵。^[13]

固態

2007年惠普公司資訊與量子系統實驗室的研究人員在理查德·斯坦利·威廉姆斯（英語：Richard Stanley Williams）的領導下成功研製了固態的憶阻器^[14]^[15]^[16]－它是由一片雙層的二氧化鈦薄膜所形成，當電流通過時，其電阻值就會改變。固態的憶阻器的製造需要涉及物料的納米技術。這個憶阻器並不像其理論般涉及磁通量，或如電容器般儲存電荷，而是以化學技術來達至電阻隨電流歷史改變的性質。

不過，三星集團卻有一項正申請專利的憶阻器，採用了類似惠普公司的技術。故此誰是憶阻器的創始人則有待澄清。^[17]

目前(2008)惠普公司是以兩層二氧化鈦薄膜來製作憶阻器元件^[18] ，其中一層摻雜。^[19]

可能應用

其元件特性，適合模擬神經元突觸的部份運作，使得電腦神經網絡製作上更能接近人腦。^[19]

威廉姆斯的固態憶阻器可以組合成電晶體，儘管小得多。They can also be fashioned into non-volatile solid-state memory, which would allow greater data density than hard drives with access times potentially similar to DRAM, replacing both components.^[20] HP has reported that its version of the memristor is about 10 times slower than DRAM [1] （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）.

Some patents related to memristors appear to include applications in programmable logic,^[21] signal processing,^[22] neural networks,^[23] and control systems.^[24]

參考

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^ Tour, James M and Tao He. Electronics: The fourth element. Nature. 2008, 453: 42–43 [2008-05-02]. doi:10.1038/453042a. （原始內容存檔於2021-02-20）.
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外部連結

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（英文）Nature News - Found: the missing circuit element （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） 30 Apr 2008
（英文）Wired.com - Scientists Create First Memristor: Missing Fourth Electronic Circuit Element （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） 30 Apr 2008
（英文）EE Times - 'Missing link' memristor created: Rewrite the textbooks?^{[永久失效連結]} 30 April 2008
（英文）EE Times - End of the CPU? HP demos configurable memristor 09 April 2010
（英文）憶阻器(Memristor)研究簡述（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） 27 Dec 2010
（英文）視頻：尋找失蹤的憶阻器|斯坦福大學（2012）（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
（英文）科學論文憶阻器的鏈接（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） 08 August 2013

[1] Chua, Leon O. Memristor - The Missing Circuit Element. IEEE Transactions on Circuit Theory. Sep 1971, CT–18 (5): 507–519 [2008-05-02]. （原始內容存檔於2021-02-20）.

[2] Tour, James M and Tao He. Electronics: The fourth element. Nature. 2008, 453: 42–43 [2008-05-02]. doi:10.1038/453042a. （原始內容存檔於2021-02-20）.

[3] C. B. Lee, B. S. Kang, M. J. Lee, S. E. Ahn, G. Stefanovich, W. X. Xianyu, K. H. Kim, J. H. Hur, H. X. Yin, Y. Park, and I. K. Yoo, Appl. Phys. Lett. 91, 082104 (2007).

[4] B. J. Choi, D. S. Jeong, S. K. Kim, C. Rohde, S. Choi, J. H. Oh, H. J. Kim, C. S. Hwang, K. Szot, R. Waser, B. Reichenberg, and S. Tiedke, J. Appl. Phys. 98, 033715 (2005).

[5] S. Q. Liu, N. J. Wu, and A. Ignatiev, Appl. Phys. Lett. 76, 2749 (2000).

[6] A. Beck, J. G. Bednorz, Ch. Gerber, C. Rossel, and D. Widmer, Appl. Phys. Lett. 77, 139 (2000).

[7] W. Shen, R. Dittmann, U. Breuer, and R. Waser, Appl. Phys. Lett. 93, 222102 (2008).

[8] Strukov, Dmitri B, Snider, Gregory S, Stewart, Duncan R and Williams, Stanley R. The missing memristor found. Nature. 2008, 453: 80–83 [2008-05-02]. doi:10.1038/nature06932. （原始內容存檔於2008-05-05）.

[9] 'Missing link' memristor created. EETimes. 2008-04-30 [2008-04-30]. （原始內容存檔於2012-03-05）.

[10] Marks, Paul. Engineers find 'missing link' of electronics. New Scientist. 2008-04-30 [2008-04-30]. （原始內容存檔於2008-05-01）.

[11] Researchers Prove Existence of New Basic Element for Electronic Circuits - Memristor. Physorg.com. 2008-04-30 [2008-04-30]. （原始內容存檔於2021-02-20）.

[12] [spider.cs.ntou.edu.tw/twp/class/Electronic981/part2.pdf 電子電路學講義2

[13] Chen W-K. Circuit Elements, Modeling, and Equation Formulation. The Circuits and Filters Handbook 2nd ed. CRC Press 2003. ISBN 0-8493-0912-3.

[14] Fildes, Jonathan. Getting More from Moore's Law. BBC. 2007-11-13 [2008-04-30]. （原始內容存檔於2021-02-20）.

[15] Bulletin for Electrical and Electronic Engineers of Oregon (PDF). Institute of Electrical and Electronics Engineers. Sept 2007 [2008-04-30]. （原始內容存檔 (PDF)於2008-05-30）. 請檢查|date=中的日期值 (幫助)

[16] R. Stanley Williams, HP biography. [2008-05-02]. （原始內容存檔於2008-05-13）.

[17] US Patent Application 11/655,193^{[失效連結]}

[18] 存档副本. [2008-05-02]. （原始內容存檔於2010-06-27）.

[spectrum.ieee.org-19] 19.0 ^19.1 存档副本. [2011-05-23]. （原始內容存檔於2008-05-11）.

[20] Kanellos, Michael. HP makes memory from a once theoretical circuit. CNET News.com. 2008-04-30 [2008-04-30]. （原始內容存檔於2021-02-20）.

[21] U.S. Patent 7,203,789. [2022-02-24]. （原始內容存檔於2021-02-20）.

[22] U.S. Patent 7,302,513. [2022-02-24]. （原始內容存檔於2021-02-20）.

[23] U.S. Patent 7,359,888. [2021-10-03]. （原始內容存檔於2021-02-20）.

[24] U.S. Patent Application 11/976,927. [2022-02-24]. （原始內容存檔於2021-02-20）.

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閱論編電磁學
靜電學	電電荷電場摩擦起電效應靜電放電閃電電暈放電尖端放電靜電感應靜電吸附靜電屏蔽庫侖定律高斯定律電通量電勢能電偶極矩電極化電位移
靜磁學	磁安培定律磁場磁感應強度磁場強度磁化強度磁通量畢奧-薩伐爾定律磁矩高斯磁定律磁矢勢
電學	電路電流電勢電壓電阻絕緣體半導體導體超導體歐姆定律串聯電路並聯電路直流電交流電帶電流電動勢電容電感阻抗電導波導憶阻器基爾霍夫電路定律
電現象	壓電效應壓阻效應熱電效應光電效應電致發光中高層大氣放電
電動力學	洛倫茲力霍爾效應電磁干擾法拉第電磁感應定律楞次定律位移電流馬克士威方程組電磁場電磁波馬克士威應力張量坡印廷向量黎納-維謝勢傑斐緬柯方程式渦電流倫敦方程推遲勢自由空間協變表述電磁張量四維電流密度電磁應力-能量張量四維勢
發展史	電荷守恆定律庫侖定律伏打電堆伽伐尼電池安培定律歐姆定律電磁感應馬克士威方程組基爾霍夫電路定律戴維南定理電磁波電子自旋

閱論編電子元件
半導體器件	電晶體四極電晶體（英語：Tetrode transistor）五極電晶體（英語：Pentode transistor）電解存儲器（英語：Memistor）憶阻器雙極性電晶體（BJT）多閘極電晶體鰭式場效電晶體互補式金屬氧化物半導體金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET）接面場效電晶體（JFET）場效應管（FET）量子線路定電流二極管（英語：Constant-current diode）（CLD、CRD）達靈頓電晶體觸發二極管（英語：DIAC）二極管 Heterostructure barrier varactor（英語：Heterostructure barrier varactor）絕緣柵雙極電晶體（IGBT）集成電路（IC）發光二極管（LED）光感測器光電二極管 PIN型二極管肖特基二極管矽控整流器（SCR）晶閘管雪崩二極管雙向晶閘管單接合面電晶體（UJT）變容二極管齊納二極管
穩壓器	線性電壓調節器低壓差穩壓器開關穩壓器降壓變換器升壓變換器降壓-升壓變換器 Split-pi Ćuk變換器 SEPIC變換器電荷泵開關電容
真空管	橡實管（英語：Acorn tube）三極真空管（英語：Audion）束射四極管（英語：Beam tetrode）熱線檢流計（英語：Hot wire barretter）緊密管（英語：Compactron）真空二極管弗萊明管（英語：Fleming valve）九極管（英語：Nonode）小型抗震管（英語：Nuvistor）五柵變頻管（英語：Pentagrid converter）（六極管、七極管、八極管）五極管光電倍增管光電管四極管三極管
真空管（RF）	後進波振盪器（英語：Backward-wave oscillator）（BWO）多腔磁控管交叉場放大器（英語：Crossed-field amplifier）（CFA）迴旋管感應輸出管（英語：Inductive output tube）（IOT）調速管（英語：Klystron）激微波回復式調速管（英語：Sutton tube）行波管（TWT）
陰極射線管	電子束偏轉管（英語：Beam deflection tube）顯像管光電攝像管（英語：Iconoscope）幻眼管單像管（英語：Monoscope）選數管儲存管（英語：Storage tube）多級電子計數管攝像管威廉姆斯管
充氣管（英語：Gas-filled tube）	冷陰極熒光燈管 Crossatron（英語：Crossatron）冷陰極計數管引燃管弧光放電充氣管（英語：Krytron）汞弧閥氖燈數碼管閘流管（英語：Thyratron）觸發管（英語：Trigatron）調壓管（英語：Voltage-regulator tube）
可變式元件	電位器數位式可變電容器變容二極管
被動元件	連接器音頻與視頻（英語：Audio and video interfaces and connectors）電源 RF 電解檢測器（英語：Electrolytic detector）鐵氧體磁芯保險絲可復式保險絲電阻器開關熱敏電阻變壓器壓敏電阻金屬線弗拉斯頓線（英語：Wollaston wire）
電抗	電容器陶瓷諧振器（英語：Ceramic resonator）晶體振盪器電感元件變抗管（英語：Parametron）繼電器舌簧繼電器（英語：reed relay）水銀開關

背景

憶阻器的定義和批評

理論

實現

潛在應用

種類

電化電池

固態

可能應用

相關項目

參考

外部連結