忆阻器取代晶体管？时间问题！

1947 年，贝尔实验室发明了晶体管，开创了一个电子设备的时代，电子设备比体积庞大、易碎的真空管电子设备更小、运行更冷、功耗更低。晶体管用作二进制开关，以促进电流从关闭状态变为开启状态。收音机、计算器和电话是第一批用新的半导体技术取代真空管的仪器。随着技术规模越来越小，随后的几十年里，硅晶体管稳步集成到设备中，今天的计算机、手机、手表、起搏器和几乎所有类型的电子设备都依赖于它们进行高速处理和存储。

忆阻器是一种电子设备，它使用二维和三维矩阵配置或交叉开关阵列来模拟二进制开关，以根据电流电阻调节导电状态。KAUST 材料科学与工程副教授Mario Lanza 博士断言，与晶体管一样，忆阻器成为新的开关技术标准，在速度和操作效率上超越晶体管只是时间问题。

由多层六方氮化硼制成的忆阻器的三维示意图。

Lanza 是最近发表的一篇评论论文《 Memristive technologies for data storage, computation, encryption, and radio-frequency communication》的主要作者，该论文是《科学》杂志对晶体管发现 75 周年的报道的一部分。该论文由来自工业界和学术界的共同作者提供的研究结果提供，是第一个提供支持跨材料和应用的忆阻器技术准备水平的数据的全面摘要。

“忆阻器主要由四种不同的材料制成，可应用于四种应用，共有 16 种组合，本文涵盖了所有这些，”Lanza 说。“我们从统计上展示了忆阻器在这些不同配置中如何发挥作用的技术标准。你会看到什么是有效的，这非常令人兴奋。我们对研究结果的汇总可能对该领域产生重要影响。”

Lanza 预见，在未来，许多其他组合可能成为可能，因为由二维层状材料和钙钛矿制成的忆阻器正在迅速提高其性能，并且可能会设计出更多的应用。

目前的芯片技术在尺寸方面已经达到了基本的量子力学极限。芯片晶体管不能小于原子间距离。由于按比例缩小不是一种选择，忆阻技术可以按比例扩大，将垂直的三维技术集成在一起，该技术涉及纳米尺寸的金属线矩阵和绝缘开关——忆阻器——在每个结点。施加电压脉冲会破坏绝缘层，从而形成电流通路。在去除电压的过程中，材料的修改结构仍然作为导电幽灵，或记忆，当再次施加电压时，可以反转以恢复初始状态。

通过这种方式，忆阻器充当极性开关，可以在导电和非导电状态之间切换。Lanza 说，这种能力可用于集成序列中的许多不同功能。

“忆阻器就像一把瑞士军刀。它可以用于很多事情，”Lanza说。“这是一个开关，我可以调整许多状态，无论我想要 25 个稳定或不稳定状态，还是十个或两个。可以对网格进行编程，以快速进行高级计算，在更少的空间和更多的空间中消耗更少的能量应用程序——否则需要许多晶体管来完成相同工作的计算。”

可以使用不同的材料（图上）制造电阻可以调整到两个或更多非易失性水平的忆阻器件。这允许调整它们的性能以满足不同技术的要求。忆阻存储器已成为现实，在高级计算、安全系统和移动通信（图下）方面正在取得重要进展。

Lanza 所说的用于制造忆阻器的四种非硅基材料是金属氧化物，例如二氧化铪；相变，即硫属元素；磁性，即钴或铁；和铁电体，即钛酸钡。忆阻器的主要应用是存储、计算、通信和加密。根据使用的材料和应用的电阻，可以调整性能以满足不同技术的要求。

忆阻器的 3D 集成允许封装更多设备，同时保持尽可能小的尺寸，证明尺寸并不是卓越运营的圣杯。Lanza 说，这项技术已经在晶体管上完成，但它是忆阻器的新领域。尽管忆阻器的概念是在 1970 年代引入的，但该技术直到最近十年左右才引起关注。

虽然忆阻器已经出现在一些产品中，例如数据中心和手表，但 Lanza 表示，还有许多有前景的应用尚待探索，该行业正在密切关注这项技术，以评估硅晶体管电子以外的未来商业用途。

他将论文发现的范围和细节归功于团队的跨学科性质。其中三位合著者是来自工业界的科学家，另外六位来自学术界，其中包括 Lanza。在工业界的三位作者中，一位来自台积电（TSMC）——这家跨国公司负责生产世界上大部分芯片，包括最小和最先进的微芯片；其中两个来自国际商业机器公司 (IBM)，它是提供先进信息技术的领导者，业务遍及 170 多个国家/地区。

该论文的来自学术界的特约作者带来了特定忆阻器应用方面的专业知识，包括数据加密，这是一个缺乏行业标准信息的领域。Lanza 说，该论文解决了这些差距，建立了行业和其他人可以参考和完善的技术规范标准的基线。

Lanza 小组的成员，2022 年 6 月。从左到右：Osamah Alharbi、Mario Lanza、Yue Yuan、Marco Antonio Villena 和 Sebastian Pazos。照片：Mario Lanza / KAUST

预计到 2026 年市场预测将增长到 56 亿美元——在近 2800 亿美元的内存市场中增长 2%——他希望该论文能够为公司提供投资新忆阻器技术所需的动力。

台积电企业研究部总监、国立清华大学特聘教授张孟凡博士说：“这是第一篇对忆阻器的结构和应用进行广泛概述的文章，忆阻器是预计将彻底改变微电子行业。”

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