基于忆阻器的非易失性存储器研究.docx

基于忆阻器的非易失性存储器研究1 .本文概述随着信息技术的飞速发展，数据存储需求日益增长，非易失性存储器(NonvolatileMemory,NVM)因其能在断电后保持数据的能力而受到广泛关注。在众多NVM技术中，忆阻器(MeiTIriStor)作为一种新型电子元件，展现出独特的优势，如纳秒级的读写速度、极低的功耗以及良好的缩放性。本文旨在深入探讨基于忆阻器的非易失性存储器技术，分析其工作原理、性能优势、以及在当前及未来存储技术中的应用前景。文章首先介绍了忆阻器的基本概念和特性，随后讨论了基于忆阻器的存储器结构和工作原理，包括不同类型的忆阻器材料和器件结构。进一步，本文详细分析了忆阻器存储器的性能指标，如存储密度、读写速度、耐久性和功耗，并与其他主流非易失性存储技术进行了比较。本文探讨了基于忆阻器的非易失性存储器在人工智能、大数据处理和物联网等领域的潜在应用，并对未来研究方向和挑战进行了展望。通过本文的研究，期望能为忆阻器存储技术的进一步发展和应用提供理论支持和实践指导。2 .忆阻器的工作原理与特性忆阻器，或称为记忆电阻，是一种基于电阻切换效应的非易失性存储器设备。与传统的存储器设备，如动态随机存取存储器(DRAM)和闪存(FIaShnIenIOr)相比，忆阻器具有更高的存储密度、更快的读写速度以及更低的能耗。忆阻器的工作原理主要基于材料电阻的可变性质。当电流通过忆阻器时，其电阻状态会发生变化，这种变化可以被用来存储信息。通过精确控制电流和电压的脉冲，我们可以将忆阻器设置为高电阻状态(通常代表逻辑"0”)或低电阻状态(通常代表逻辑“1”)o一旦设置完成，即使关闭电源，忆阻器的电阻状态也会保持不变，因此具有非易失性。除了非易失性之外，忆阻器还具有一些独特的特性。它的读写速度非常快，理论上可以达到纳秒级别，这使得忆阻器在高性能计算领域具有巨大的应用潜力。忆阻器的功耗非常低，这对于低功耗设备和物联网应用来说是一个重要的优势。忆阻器的存储密度极高，可以实现在极小的空间内存储大量的信息。忆阻器也存在一些挑战和限制。例如，其制造工艺相对复杂，成本较高，且目前的大规模集成技术还不够成熟。忆阻器的可靠性问题也需要进一步研究和解决。尽管如此，随着科技的不断进步和研究的深入，我们有望在未来克服这些挑战，使忆阻器成为下一代主流的非易失性存储器。3 .忆阻器材料与结构忆阻器(MemriStor)是一种具有记忆电阻特性的电子器件，其独特的非易失性存储特性使其在存储器领域具有广阔的应用前景。忆阻器的性能与其材料和结构密切相关，研究和开发高性能的忆阻器材料和结构是忆阻器技术发展的关键。在材料方面，忆阻器主要使用金属氧化物、硫化物、固态电解质等。金属氧化物如二氧化钛(TiO2)、氧化铝(Ta205)等因其良好的稳定性和较高的电阻开关比而被广泛研究。硫化物如硫化银(Ag2S)、硫化铜(Cu2S)等则以其较低的操作电压和快速的开关速度受到关注。固态电解质如氧化错(Zro2)、硫化楮(GeS)等因其独特的离子迁移特性在忆阻器领域具有独特的应用价值。在结构方面，忆阻器通常采用三明治结构，即上电极活性层下电极。活性层是忆阻器实现电阻开关效应的关键部分，其厚度、组成和微观结构对忆阻器的性能有重要影响。上下电极的材料和界面特性也对忆阻器的性能产生显著影响。例如，电极材料的导电性、与活性层的接触电阻以及界面处的化学反应等都会影响忆阻器的电阻开关行为。为了进一步提高忆阻器的性能，研究者们还探索了多种新型结构,如纳米线、纳米点、多层结构等。这些新型结构通过减小活性层的尺寸、增加界面面积或引入额外的物理效应（如量子限域效应、隧道效应等）来优化忆阻器的性能。同时，研究者们还致力于开发新型制备工艺，如原子层沉积、脉冲激光沉积等，以实现更精确的材料控制和更均匀的器件结构。忆阻器材料与结构的研究对于推动忆阻器技术的发展具有重要意义。未来，随着新材料和新结构的不断涌现，忆阻器有望在存储器领域发挥更大的作用。4 .基于忆阻器的非易失性存储器设计忆阻器的基本原理：介绍忆阻器的定义、工作原理，以及其作为电阻变化器的特性。忆阻器的优势：讨论忆阻器在非易失性存储器中的优势，如高密度、低功耗、快速读写能力等。存储单元设计：分析忆阻器作为存储单元的设计方法，包括交叉点阵列结构、读写机制等。集成策略：探讨将忆阻器集成到现有存储技术中的策略，如与CMOS技术的结合。耐久性问题：讨论忆阻器存储单元的耐久性挑战及其解决方案，如材料改进、电路设计优化等。数据保留问题：分析忆阻器在数据保留方面的挑战，以及通过技术手段（如温度控制、材料筛选）来提升数据保留能力。读写不对称性：探讨忆阻器读写操作的不对称性及其对存储器性能的影响，并提出相应的解决方案。新兴材料与技术的应用：讨论新兴材料（如新型忆阻材料）在非易失性存储器设计中的应用潜力。新型存储架构：探讨基于忆阻器的非易失性存储器可能的新型架构，如三维存储、存算一体化等。总结设计要点：总结基于忆阻器的非易失性存储器设计的关键要素和挑战。对未来研究的展望：提出对未来研究的展望，特别是在材料、设计、集成等方面的创新方向。这个段落概要为撰写基于忆阻器的非易失性存储器研究文章提供了一个结构化的框架，确保了内容的逻辑性和条理性。每个子节都旨在深入探讨忆阻器技术在非易失性存储器设计中的各个方面，从而为读者提供全面、深入的理解。5 .性能评估与优化读取速度与写入速度：分析忆阻器存储器的数据读写速度，并与传统存储技术进行比较。耐久性与数据保持时间：探讨忆阻器存储单元的耐久性和数据保持能力，包括循环耐久性和时间依赖性数据保留。集成密度：分析忆阻器技术的集成潜力，包括单位面积内的存储容量。实验设置：描述用于性能评估的实验设置，包括测试平台、忆阻器样品的选择和制备。测试过程：详细说明进行的各项测试，如读写速度测试、功耗测试、耐久性测试等。数据分析：展示实验结果，包括图表和数据，对比不同忆阻器结构的性能差异。材料优化：探讨不同材料对忆阻器性能的影响，如选择合适的电极和功能性材料。结构设计：讨论忆阻器结构设计对性能的优化，如改变电极形状、尺寸等。操作条件优化：分析操作条件（如电压、温度）对性能的影响，并提出优化方案。电路与系统级优化：从电路设计和系统集成的角度，提出优化忆阻器存储器性能的策略。实验验证：通过实验验证优化策略的有效性，包括性能提升的数据展示。模拟与仿真：使用模拟和仿真工具验证优化方案，展示预期的性能提升。潜在应用：探讨忆阻器存储技术在新兴领域（如物联网、人工智能）的应用前景。总结性能评估与优化的主要发现，强调忆阻器存储技术在非易失性存储领域的潜力和重要性。这个大纲为“性能评估与优化”部分提供了一个全面的框架，可以确保文章内容的深度和广度。6 .应用案例与未来发展忆阻器作为一种新兴的非易失性存储器技术，在多个领域已经展现出其独特的优势和巨大的应用潜力。随着科技的进步和研究的深入,忆阻器有望在未来成为下一代主流存储器技术之一。随着移动设备性能的不断提升，对存储器的要求也越来越高。忆阻器因其高速读写、低功耗和非易失性等特点，非常适合用于移动设备中的存储系统。它不仅可以提高设备的运行速度，还能有效延长设备的续航时间。在大数据和云计算领域，数据的存储和处理是至关重要的。忆阻器的高密度存储和高速读写能力使其成为处理海量数据的理想选择。忆阻器还可以用于构建更加高效和可靠的分布式存储系统。忆阻器与生物神经元的某些特性相似，使其在神经形态计算领域具有广阔的应用前景。通过模拟神经元的突触功能，忆阻器可以实现更加接近人脑的计算方式，为人工智能和机器学习等领域的发展提供有力支持。虽然忆阻器已经展现出很多优势，但其仍处于发展阶段，还有许多技术问题需要解决。未来的研究将致力于进一步优化忆阻器的性能,提高其稳定性和可靠性，以满足更多领域的需求。随着半导体工艺的不断进步，忆阻器的集成度有望得到进一步提升。通过减小器件尺寸、提高存储密度等方式，可以实现更大容量的存储器，为各种应用提供更加丰富的存储资源。忆阻器的研究不仅涉及电子工程领域，还与材料科学、物理学、生物学等多个学科密切相关。未来的研究将更加注重跨学科融合，通过引入新材料、新结构和新工艺等方式，不断创新忆阻器的设计和制备方法，推动其向更高水平发展。除了上述几个应用领域外，忆阻器还有望在更多领域得到应用。例如，在物联网领域，忆阻器可以用于实现低功耗、高可靠性的数据存储和传输在生物医学领域，忆阻器可以用于构建更加精确和高效的生物传感器和医疗设备在航空航天领域，忆阻器可以用于实现高性能、高可靠性的数据存储和处理系统。忆阻器作为一种具有广阔应用前景的非易失性存储器技术，其未来的发展将充满无限可能。随着研究的深入和技术的进步，我们有理由相信忆阻器将在未来的科技领域中发挥更加重要的作用。7 .结论本研究对基于忆阻器的非易失性存储器进行了全面而深入的探讨。通过分析忆阻器的物理机制和特性，我们明确了其在非易失性存储领域的应用潜力。忆阻器作为一种新型的存储元件，以其独特的优势，如高速读写、低功耗、高密度和良好的非易失性，在存储技术领域显示出巨大的应用前景。本文详细探讨了忆阻器在非易失性存储器中的应用。通过分析不同的存储器架构，如交叉点阵列和单层结构，我们揭示了忆阻器在构建高效、紧凑的非易失性存储系统中的关键作用。我们还探讨了忆阻器在存储器设计中的多种应用，如模拟计算和神经形态计算，这进一步拓宽了忆阻器在非易失性存储领域的应用范围。在研究过程中，我们也注意到了忆阻器在实际应用中面临的挑战,如器件的不稳定性、读写操作的可靠性和数据保持性问题。为了解决这些问题，本文提出了一系列的解决方案，包括改进器件结构、优化材料选择和提高读写算法的效率。本文对未来基于忆阻器的非易失性存储器的发展方向进行了展望。我们认为，随着材料科学、纳米技术和电子学的进步，忆阻器的性能将得到进一步提升，其在非易失性存储领域的应用将更加广泛。同时，我们也强调了跨学科合作的重要性，以推动忆阻器在非易失性存储器领域的创新和应用。基于忆阻器的非易失性存储器研究不仅为存储技术的发展提供了新的思路，而且为未来信息技术的进步奠定了坚实的基础。我们期待着在这一领域未来的研究能够取得更多突破，为人类社会带来更加高效、智能的信息处理和存储解决方案。参考资料：忆阻器，作为第四种基本电路元件，具有记忆功能，可以改变其电阻值，从而在非线性系统中产生丰富的动力学行为，为混沌电路设计提供了新的可能性。本文将重点探讨基于忆阻器的混沌电路设计。忆阻器是一种具有记忆功能的非线性电阻，其电阻值可以随着通过的电流的方向和大小而改变，同时保持改变后的状态，即具有记忆功能。这种特性使得忆阻器在非线性电路中能够产生丰富的动力学行为，包括混沌行为。基于忆阻器的混沌电路设计，首先需要建立忆阻器的数学模型。通常，忆阻器的模型可以表示为一个一阶或二阶非线性微分方程。通过调整模型参数，可以在理论上预测忆阻器的动力学行为。通过模拟或实验，我们可以观察和分析忆阻器的混沌行为。例如,观察其相图、庞加莱截面、功率谱等混沌特征，验证其混沌性质。基于忆阻器的混沌电路设计主要涉及选择适当的忆阻器模型、调整模型参数、优化电路结构等步骤。具体而言，首先需要根据需求选择合适的忆阻器模型；然后通过理论分析和实验验证，调整模型参数以获得所需的混沌行为；最后优化电路结构，实现具有特定功能的混沌电路。基于忆阻器的混沌电路由于其独特的动力学行为和记忆功能，在信息加密、通信、神经网络等领域具有广泛的应用前景。例如，利用忆阻器的混沌行为进行信息加密，可以提高信息传输的安全性；在神经网络中应用忆阻器，可以实现更复杂的神经元网络模型，有助于研究神经系统的动力学行为。忆阻器的出现为混沌电路设计提供了新的可能性。通过深入研究忆阻器的动力学行为和特性，我们可以设计出具有特定功能的混沌电路，从而拓展混沌电路的应用领域。尽管目前基于忆阻器的混沌电路还处于研究阶段，但随着技术的不断进步和应用需求的增加，相信基于忆阻器的混沌电路将会在未来发挥更大的作用。忆阻器阻变随机存取存储器（ReRAM）是一种新型的存储设备，它结合了电子器件的快速读写和高密度存储的优点，因此在信息存储领域具有广泛的应用前景。ReRAM的工作原理是基于阻变式效应，即通过改变材料的电阻状态来存储信息。与传统存储器不同，ReRAM不需要依赖电荷的移动来进行写入操作，因此具有更快的读写速度和更高的稳定性。ReRAM还具有低功耗、高耐久性和易于三维集成等优点，使得它在信息存储领域具有很大的潜力。在ReRAM的应用方面，首先是在数据中心和移动通信领域的应用。在这些领域中，需要处理大量的数据，并且需要快速地访问和处理这些数据。ReRAM的高读写速度和高密度存储能力可以满足这些需求，同时还可以降低能耗和提高效率。ReRAM还可以用于缓存和高速内存等领域。另一个应用领域是嵌入式系统。在这些系统中，需要将大量的信息集成到一个小巧的芯片中，并且要求功耗低、可靠性高。ReRAM的高密度存储和低功耗特点可以满足这些需求，使得它可以成为嵌入式系统中的理想存储器。ReRAM作为一种新型的存储器，具有高速度、高密度、低功耗和可靠性高等优点，因此在信息存储领域具有广泛的应用前景。随着技术的不断发展，相信ReRAM将会在更多的领域得到应用，并为人们的生活和工作带来更多的便利。随着科技的快速发展，数据存储作为信息时代的基石，对于整个人类社会的发展起着至关重要的作用。非易失性存储器作为一种能够长期保存数据的存储设备，具有广泛的应用前景。本文将介绍非易失性存储器的定义、分类、技术原理以及研究进展，同时分析面临的挑战和解决方案，并总结其发展应用和未来研究方向。引言非易失性存储器是指能够在断电情况下仍能保持数据不丢失的存储器。与易失性存储器相比，非易失性存储器具有更高的数据安全性和可靠性。本文旨在探讨非易失性存储器的技术原理、研究进展以及面临的挑战和解决方案，以期为相关领域的研究提供参考。概述非易失性存储器技术可根据其工作原理分为多种类型，如闪存、铁电存储器、电阻存储器等。这些技术各有特点，应用于不同场景。例如，闪存因其长久保存数据的特性被广泛应用于移动设备和U盘等领域；铁电存储器具有高速读写和抗辐射等优势，适用于航空航天等特殊领域；电阻存储器则具有高密度、低成本等优势，成为大容量数据中心的首选。闪存：闪存是一种基于FlaShEEPROM技术的非易失性存储器，通过在半导体芯片上存储电荷来达到保存数据的目的。在写入数据时,通过向浮栅极充电来改变存储单元的导电性能；在读取数据时，根据存储单元的导电性能来识别0和1。闪存的优点在于可重复擦写、寿命长、体积小、便携，但同时也存在制造成本高、擦写速度慢等缺点。铁电存储器：铁电存储器是一种基于铁电效应的随机访问存储器。在铁电存储器中，信息以极化状态储存在铁电晶体中，通过改变铁电晶体的极化状态来写入和读取数据。铁电存储器具有读写速度快、抗辐射、耐高温等优点，适用于军事、航空航天等领域。铁电存储器也存在集成难度大、维持时间短等问题。电阻存储器：电阻存储器是一种基于导电性能变化的非易失性存储器。在电阻存储器中，信息以导电性能的不同来储存。在写入数据时，通过改变存储单元的导电性能来达到储存信息的目的；在读取数据时，通过检测存储单元的导电性能来识别O和1。电阻存储器具有高密度、低成本、读写速度快等优点，在大数据中心等领域具有广泛应用前景。电阻存储器也存在读写耐久性、数据保持期等问题需要进一步解决。研究进展近年来，非易失性存储器技术在电路设计、模块制造、系统整合等方面取得了显著进展。在电路设计方面，随着集成电路技术的发展，闪存、铁电存储器和电阻存储器等非易失性存储器在集成度、速度和功耗方面不断优化。在模块制造方面，新型材料的研发和应用为非易失性存储器的制造提供了更多的选择和可能性。在系统整合方面，非易失性存储器已逐渐成为各类系统的核心组件，如嵌入式系统、物联网设备和数据中心等。挑战与解决方案非易失性存储器技术在发展过程中面临诸多挑战，如性能、成本、安全性和可靠性等方面的问题。为了解决这些挑战，学术界和企业界进行了广泛而深入的研究。针对性能问题，可以通过优化算法、提高制造工艺等方式提升非易失性存储器的读写速度和集成度。针对成本问题，可以从材料、制造工艺等方面入手，降低非易失性存储器的制造成本。针对安全性问题，可以采取加密技术、访问控制等措施保护用户数据的安全。针对可靠性问题，需要从多方面进行保障，例如采用可靠的原材料、严格的质量控制等方法提高非易失性存储器的稳定性。总结非易失性存储器作为数据存储的重要方式，在各类系统中发挥着至关重要的作用。本文介绍了非易失性存储器的定义、分类和技术原理，同时分析了其研究进展、挑战和解决方案。随着科技的不断发展，非易失性存储器的性能、成本和可靠性等方面的优势将进一步显现，未来的研究方向和发展潜力也不断拓展。相信在未来的研究中，非易失性存储器技术将成为数据存储领域的重要发展方向。忆阻器，全称记忆电阻器(MelTIriStor)。它是表示磁通与电荷关系的电路器件。忆阻具有电阻的量纲，但和电阻不同的是，忆阻的阻值是由流经它的电荷确定。通过测定忆阻的阻值，便可知道流经它的电荷量，从而有记忆电荷的作用。1971年，蔡少棠从逻辑和公理的观点指出，自然界应该还存在一个电路元件，它表示磁通与电荷的关系。2008年，惠普公司的研究人员首次做出纳米忆阻器件，掀起忆阻研究热潮。纳米忆阻器件的出现，有望实现非易失性随机存储器。并且，基于忆阻的随机存储器的集成度，功耗，读写速度都要比传统的随机存储器优越。忆阻是硬件实现人工神经网络突触的最好方式。由于忆阻的非线性性质，可以产生混沌电路，从而在保密通信中也有很多应用。忆阻器，全称记忆电阻，从这两个字可以大致推敲出它的功用来。最早提出忆阻器概念的人，是华裔的科学家蔡少棠，当时任教于美国的加州大学伯克利分校。时间是1971年，在研究电荷、电流、电压和磁通量之间的关系时，任教于加州大学伯克利分校的蔡教授推断在电阻、电容和电感器之外，应该还有一种组件，代表着电荷与磁通量之间的关系。这种组件的效果，就是它的电阻会随着通过的电流量而改变，而且就算电流停止了，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。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。实际上就是一个有记忆功能的非线性电阻器。用常见的水管来比喻，电流是通过的水量，而电阻是水管的粗细时，当水从一个方向流过去，水管会随着水流量而越来越粗，这时如果把水流关掉的话，水管的粗细会维持不变；反之当水从相反方向流动时，水管就会越来越细。因为这样的组件会“记住”之前的电流量,因此被称为忆阻器。由于忆阻器尺寸小、能耗低，所以能很好地储存和处理信息。一个忆阻器的工作量，相当于一枚CPU芯片中十几个晶体管共同产生的效用。蔡教授之所以提出忆阻器，只是因为在数学模型上它应该是存在的。为了证明可行性，他用一堆电阻、电容、电感和放大器做出了一个模拟忆阻器效果的电路，当时并没有找到什么材料本身就有明显的忆阻器的效果，也没有人在找，处于连集成电路刚起步不久的阶段，离家用电脑普及还有至少15年的时间，这时候HP就登场了。HP关于忆阻器的发现在2008年时发表于自然期刊，2009年证明了Cross1.atch的系统很容易就能堆栈，形成立体的内存。技术每个电线间的开关大约是3nmX3nm大，开关切换的时间小于1ns,整体的运作速度已和DRAM差不多，但是开关次数还不如DRAM-还不足以取代DRAM,但是靠着1cm2100gigabit(GB),Icm3IPetabit（数据存储单位IPB=100oTB）（别忘了它是可以堆栈的）的惊人潜在容量，干掉闪存是绰绰有余的。但是Crossbar1.atch可不止用来储存数据而已。它的网格状设计，和每个交叉点间都有开关，意味着整组网格在某些程度上是可以逻辑化的。在原始的Crossbar1.atch论文中就已经提到了如何用网格来模拟AND、OR和NOT三大逻辑闸，几个网格的组合甚至可以做出加法之类的运算。这为摆脱晶体管进到下一个世代开了一扇窗，很多人认为忆阻器电脑相对于晶体管的跃进，和晶体管相对于真空管的跃进是一样大的。另一方面，也有人在讨论电路自己实时调整自己的状态来符合运算需求的可能性。这点，再搭配上忆阻器的记忆能力，代表着运算电路和记忆电路将可同时共存，而且随需要调整。这已经完全超出了这一代电脑的设计逻辑，可以朝这条路发展下去的话，或许代表着新一代的智慧机器人的诞生。忆阻器和Crossbar1.atch的组合代表的是电脑科技的全新进展，或许能让我们再一次延续摩尔定律的生命，朝向被机器人统治的未来前进。惠普实验室的研究人员认为RRAM就是Chua所说的忆阻器，其报道的基于Ti02的RRAM器件在2008年5月1日的自然期刊上发表。加州大学伯克利分校教授蔡少棠，1971年发表忆阻器：下落不明的电路元件论文，提供了忆阻器的原始理论架构，推测电路有天然的记忆能力，即使电力中断亦然。惠普实验室的论文则以寻获下落不明的忆阻器为标题，呼应前人的主张。蔡少棠接受电话访问时表示，当年他提出论文后，数十年来不曾继续钻研，所以当惠普实验室人员几个月前和他联系时，他吃了一惊。RRAM可使手机将来使用数周或更久而不需充电；使个人电脑开机后立即启动；笔记型电脑在电池耗尽之后很久仍记忆上次使用的信息。忆阻器也将挑战掌上电子装置内普遍使用的闪存，因为它具有关闭电源后仍记忆数据的能力。RRAM将比闪存更快记忆信息，消耗更少电力，占用更少空间。忆阻器跟人脑运作方式颇为类似，惠普说或许有天，电脑系统能利用忆阻器，像人类那样将某种模式（PatternS）记忆与关联。RRAM为制造非易失性存储设备、即开型PC、更高能效的计算机和类似人类大脑方式处理与联系信息的模拟式计算机等铺平了道路，未来甚至可能会通过大大提高晶体管所能达到的功能密度，对电子科学的发展历程产生重大影响。研究人员表示，忆阻器器件的最有趣特征是它可以记忆流经它的电荷数量。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；如果让电荷以反向流动，电阻就会减小。简单地说，这种器件在任一时刻的电阻是时间的函数或多少电荷向前或向后经过了它。这一简单想法的被证实，将对计算及计算机科学产生深远的影响。比勒菲尔德大学托马斯博士及其同事在2012年就制作出了一种具有学习能力的忆阻器。2013年，安迪托马斯利用这种忆阻器作为人工大脑的关键部件，他的研究结果将发表在物理学学报D辑：应用物理学杂志上。安迪托马斯解释说，因为忆阻器与突触的这种相似性，使其成为制造人工大脑一一从而打造出新一代的电脑一一的绝佳材料，“它使我们得以建造极为节能、耐用，同时能够自学的处理器。”托马斯的文章总结了自己的实验结果，并借鉴其他生物学和物理学研究的成果，首次阐述了这种仿神经系统的电脑如何将自然现象转化为技术系统，及其中应该遵循的几个原则。这些原则包括，忆阻器应像突触一样，“注意”到之前的电子脉冲；而且只有当刺激脉冲超过一定的量时，神经元才会做出反应，忆阻器也是如此。忆阻器能够持续增高或减弱电阻。托马斯解释道：“这也是人工大脑进行学习和遗忘的过程中，忆阻器如何发挥作用的基础。”2013年，中国忆阻器研究仍处于“自由探索”阶段，不仅力量分散，而且主要集中于理论层面和计算机仿真。受研究条件所限，真正物理实现尚不多见。事实上HP也没有在找忆阻器,2005年是一个由HP的PhillipJKuekes领军的团队，正在进行的一种称为Crossbar1.atch的技术的研究。Crossbar1.atch的原理是由一排横向和一排纵向的电线组成的网格，在每一个交叉点上，要放一个开关连结一条横向和纵向的电线。如果能让这两条电线控制这个开关的状态的话，那网格上的每一个交叉点都能储存一个位的数据。这种系统下数据密度和存取速度都是前所未闻的，问题是，什么样的材料能当这个开关？这种材料必需要能有开、关两个状态，这两个状态必需要能操纵,更重要的，还有能在不改变状态的前提下，发挥其开关的效果，允许或阻止电流的通过。如何取得这样的材料考倒了HP的工程师，因此他们空有Crossbar1.atch这么棒的想法，却无法实现。直到2008年（距蔡教授提出忆阻器已经37年过去了）才出现了转机，另一个由StanIeyWiIliamS领军的HP团队在研究二氧化钛的时候，意外地发现了二氧化钛在某些情况的电子特性比较奇特。Stanley等人发现，一块极薄的二氧化钛被夹在两个电极中间，这些二氧化钛又被分成两个部份，一半是正常的二氧化钛，另一半进行了“掺杂”，少了几个氧原子。因此“掺杂”的那一半带正电，电流通过时电阻比较小，而且当电流从“掺杂”的一边通向正常的一边时，在电场的影响之下缺氧的“掺杂物”会逐渐往正常的一侧游移，使得以整块材料来言，“掺杂”的部份会占比较高的比重，整体的电阻也就会降低。反之，当电流从正常的一侧流向“掺杂”的一侧时，电场会把缺氧的“掺杂物”从回推，电阻就会跟着增加。整个器件就相当于一个滑动变阻器一样。忆阻器最简单的应用就是作为非易失性阻抗存储器(RRAM),当前的动态随机存储器所面临的最大问题是，当你关闭PC电源时，动态随机存储器就忘记了那里曾有过什么，所以下次打开计算机电源，你就必须坐在那儿等到所有需要运行计算机的东西都从硬盘装入到动态随机存储器。有了非易失性随机存储器，那个过程将是瞬间的，并且你的PC会回到你关闭时的相同状态。研究人员称，忆阻器可让手机在使用数周或更久时间后无需充电,也可使笔记本电脑在电池电量耗尽后很久仍能保存信息。忆阻器也有望挑战数码设备中普遍使用的闪存，因为它具有关闭电源后仍可以保存信息的能力。利用这项新发现制成的芯片，将比闪存更快地保存信息，消耗更少的电力，占用更少的空间。忆阻器还能让电脑理解以往搜集数据的方式，这类似于人类大脑搜集、理解一系列事情的模式，可让计算机在找出自己保存的数据时更加智能。比如，根据以往搜集到的信息，忆阻器电路可以告诉一台微波炉对于不同食物的加热时间。当前，许多研究人员正试图编写在标准机器上运行的计算机代码，以此来模拟大脑功能，他们使用大量有巨大处理能力的机器，但也仅能模拟大脑很小的部分。研究人员称,他们能用一种不同于写计算机程序的方式来模拟大脑或模拟大脑的某种功能，即依靠构造某种基于忆阻器的仿真类大脑功能的硬件来实现。其基本原理是，不用1和0,而代之以像明暗不同的灰色之中的几乎所有状态。这样的计算机可以做许多种数字式计算机不太擅长的事情比如做决策，判定一个事物比另一个大，甚至是学习。这样的硬件可用来改进脸部识别技术，应该比在数字式计算机上运行程序要快几千到几百万倍。忆阻器的优异性能，已经展现出其广泛的应用前景。这种基础元器件，将从根本上颠覆现有的硅芯片产业。2012年，美国电气和电子工程协会邀约3位国际知名学者共同撰写了一篇长文超越摩尔，其中专章讲述了忆阻器。这引起了中科院计算技术研究所研究员闵应骅的注意，他在科学网上连续发表5篇博文进行译介。闵应骅曾说，未来半导体工业有可能从“硅时代”进入“碳时代”，而忆阻器这种可记忆电流的非线性电阻，凭借其优越的特性，将成为未来极有希望的存储元件。不只是存储。2010年惠普实验室再次宣布，忆阻器具有布尔逻辑运算的功能，这一发现震动了计算机学界。曾领衔研制“天河”系列超级计算机的国防科技大学科研人员在跟踪调研后认为，“理论上可以通过忆阻器完全替代现在所有的数字逻辑电路”。“在很大程度上，我同意忆阻器有可能代替晶体管这种说法，其自动记忆能力和状态转换特性，还将推动人工智能和模拟存储的发展。”西南大学电子信息工程学院教授段书凯认为。与蔡少棠之间的学术渊源，使段书凯成为国内最早开展忆阻器非线性系统研究的学者之一。华中科技大学微电子学系教授缪向水则表示，忆阻器的确具有给微电子领域带来强大变革的能力，但要彻底取代晶体管，此时看来还不太现实。“还不太现实”的一个重要原因，在于忆阻器的实际应用还有许多技术问题有待研究。不过几乎所有科学家，学者均认为，这正是一个历史机遇，我国研究者应有所作为。“就在忆阻器的机理尚未完全探明时，国外商业竞争已进入白热化阶段了。”提及当前国内外研究态势，国防科技大学电子科学与工程学院教授徐晖表示。自惠普忆阻器原型问世以来，国际研究迅速升温，已有百余所研究机构参与。不仅英、德、韩等国相继加入，Intel、IBM等工业巨头也在美国军方支持下砸下重金。2009年，科技部启动国际合作项目“忆阻器材料及其原型器件”,缪向水是项目负责人。他也坦承,“国内忆阻器研究还处于初始阶段”。国内学术界在正式场合引介忆阻器大约在2010年。在该年的中国电子学会第16届电子元件学术年会上，一个重要环节即是由清华大学材料系教授周济介绍忆阻器。尽管这只是一个介绍性报告，却为与会者打开了一扇窗口。随后几年，该篇会议论文的下载量激增，显示出国内同行的极大热情。2009年，只有徐晖团队的一篇硕士论文专门介绍忆阻器；到2012年，这一数字已增至11篇。“我们必须在国外厂商实现忆阻器产业化之前，'强强联合，共同攻关'，取得原创性的自主知识产权成果，以免将来受制于人。”缪向水表示。华中科技大学历经四年研究，已经能够制备出纳米级性能稳定的忆阻器原型器件。并由该校牵头，联合清华、北大、国防科大、中科院微电子所等单位已在联合申报一个“973”计划项目，一旦获批，将拉开我国忆阻器研发“协同作战”的序幕。湖南大学信息学院副教授尤志强曾前往美国交流，亲眼目睹惠普等产业界与学术界的密集互动。不料回国后，他却接连遭遇在计算机期刊发表忆阻器论文被拒评的尴尬。他推测，评审专家对忆阻器缺乏了解，特别是计算机专家不熟悉半导体领域进展可能是原因之一。“忆阻器属于影响长远的应用基础问题，存在大量学科交叉，做计算机的往往很难申请到课题，而做半导体的又太着急出成果。”闵应骅说。2013年，在教学体系设置上，几乎所有理工科大学生必修的本科基础课程电路原理，仍未将“忆阻器”纳入，以致于不少师生对于忆阻器都普遍感到陌生。威廉姆斯的固态的忆阻器可以组合成所谓交叉开关锁存器的设备，这可能会取代晶体管建造未来的电脑，占用面积小得多。2007年惠普公司资讯与量子系统实验室的研究人员在理查德蜥坦利威廉姆斯的领导下成功研制了固态的忆阻器一它是由一片双层的二氧化钛薄膜所形成，当电流通过时，其电阻值就会改变。固态的忆阻器的制造需要涉及物料的纳米技术。这个忆阻器并不像其理论般涉及磁通量，或如电容器般储存电荷，而是以化学技术来达至电阻随电流历史改变的性质。三星集团却有一项正申请专利的忆阻器，采用了类似惠普公司的技术。故此谁是忆阻器的创始人则有待澄清。