论文总字数：8261字

摘 要

随着科技的发展越来越多的未知被发现，越来越多的理论被表明。可以说中国自古以来便崇尚着对称美，不管在什么情况下总能找到与之对称的。就好像门捷列夫在探索元素周期表时，一开始的研究他总是觉得缺少某些元素，在之后的研究中也确实发现了缺失的元素。其实我们会发现通过数学表达式也会出现缺少某样东西的感觉，这就引起了科学家蔡少棠的兴趣。1971他发现了忆阻器的存在，并且提出一些有关忆阻器的现象。直到2008年该理论因惠普实验室研究小组采用纳米技术实现了具有记忆特性的电阻而被证实。本文将通过忆阻器的特性和一些对忆阻器特性的影响参数来介绍一些基于忆阻器的一些简单应用，以及忆阻器在未来的发展前景。

关键词：忆阻器，特性，影响，发展前景

Abstract：With the development of science and technology, more and more unknowns have been discovered, and more and more theories have been shown. It can be said that China has been advocating symmetry since ancient times, no matter what circumstances it is, it always finds its symmetry. As if Mendeleev was exploring the periodic table of the element, the beginning of the study always felt the lack of some elements, and the missing elements were found in the later study. In fact, we will find that there is also a sense of lack of something through mathematical expressions, which has aroused the interest of scientist Cai Tsao Tong. 1971, he discovered the existence of memristor and put forward some memristor phenomena. Until 2008, the theory was verified by HP laboratory research team using nano technology to achieve resistance with memory characteristics. This article will introduce some simple applications based on the memristor and the future of the memristor through the characteristics of the memristor and some parameters affecting the characteristics of the memristor.

Keywords：Memristor , Characteristic , Influence , Prospects for development

目录

1 前言 5

2 某些参数对忆阻器特性的影响 5

2.1 温度改变对钛氧化物忆阻器导电特性的影响 5

2.2 横截面积参数对钛氧化物忆阻器导电性的影响 5

3 基于忆阻器的一些简单应用 6

3.1 基于忆电阻的混沌电路 7

3.1.1 荷控、磁控忆阻器的研发 7

3.1.2 基于荷控和磁控忆阻器的混沌电路 8

3.2 忆电阻在计算机科学中的应用 8

3.3 忆电阻在通信工程中的应用 9

3.4 忆电阻在神经网络中的应用 9

3.4.1 基于忆阻器混沌电路的改进型细胞神经网络 9

3.4.2 基于忆阻器的spiking神经网络 10

4 忆阻器的发展前景 11

4.1 忆电阻与晶体管的区别 11

4.2 即开型PC将成为可能 11

5 结论 13

1 前言

忆阻器不像其他三种基本电路元件同时具有线性和非线性特性，它只具备单一的非线性，但是它却有着不同于其他的记忆特性。忆阻器可以通过控制流过的电流改变其阻值，就像计算机中二进制算法一样，把高阻值看成高电平，低阻值看成低电平，把高阻值定义为“1”，低阻值定义为“0”，这样类比二进制的算法就拥有了处理数据的能力，那么这种电阻就会具有存储数据的功能。当然，作为第四种无源二端电路元件不可能仅仅只有这些特性。当断电时电阻值并不会突然消失，它会记忆之前的阻值，因此存储的数据也不会因断电而消失。这一特性使计算机即开即关成为了可能。基于忆阻器模拟的一些电路中没有电容，电感的充放电过程，在数据不改变的情况时，电路不浪费电，忆阻器元件物理尺寸小，耗能低使得电子业产品的发展更加便携与节能。

2 某些参数对忆阻器特性的影响

忆阻器被证实后，引起了很多科学家的关注，一时间成为了研究热点，一些对忆阻器特性有影响的参数也因此被探索。

2.1 温度改变对钛氧化物忆阻器导电特性的影响

在试验条件不变的条件下，该纳米钛氧化物忆阻器的传导过程是不稳定的，而且准确的阅读和对设备的瞬态阻抗的控制也会受到限制，以及用于电路设计的可靠性和稳定性也会受到影响。造成这种不稳定性的原因是杂质漂移和隧道势垒共存。目前，我们不能通过控制温度变化提高忆阻器传导的稳定性。我们只能通过软件来模拟结果。通过仿真实验，我们发现有完善这种不稳定性的三种方式。首先，增加活性区的厚度；第二，降低初始杂质浓度；第三，保持环境温度稳定当然必须低于临界温度。

在杂质漂移与隧道势垒共存的情况下，忆阻器中含微量杂质部分的瞬态阻抗随着温度的升高而减小，杂质的漂移能力也会提高。由此可知，温度升高会刺激杂质的漂移，且会降低忆阻器的导电稳定性。在实验中还发现了含微量杂质部分的瞬态阻抗与活跃区域厚度，初始杂质浓度有关，由此猜测，温度，活跃区域厚度，杂质浓度三者之间存在着一定的相关性。通过了一系列的仿真发现保持温度稳定且低于临界温度，适当增大活跃区域厚度和降低初始杂质浓度能够提高忆阻器的导电稳定性。

任何一个器件任何一个特性都会被几个或很多个参数影响着，有的参数影响的微乎其微，暂时性的我们可以忽略。但是随着研究的深入会发现当时认为可以忽略的参数却影响甚大，因此探索一个器件的特性，并不能够通过浅层的表象就去得出绝对的定论，凡事都是相对的，绝对的往往会带给我们错误的答案。对于忆阻器来说，以上说的参数只是对于现在的研究有着正确的帮助。想要得到更多精确的参数需要着研究者们不断深入不断突破。

2.2横截面积参数对钛氧化物忆阻器导电性的影响

在实验中我们去研究某一参数对实验结果是否有影响一般采用的都是控制变量法，在我们去探索横截面积对钛氧化物忆阻器导电性的影响之前，我们就需要去控制除横截面积以外的所有可能对结果有影响的参数，保证这些参数不变的情况下，再去改变横截面积的值，观察随着横截面积的值的不同忆阻器的导电性有何变化，将每次变化的结果记录下来。实验结束后，对记录的数据进行精细加工处理就可以得出我们想要的结果。

在控制变量的实验中，我们可以发现钛氧化物横截面积的变化会影响活跃区域瞬态阻抗的值。但是在实验中我们还发现了隧道势垒的横截面积也会改变瞬态阻抗的值。由此，我们可以得出结论，横截面积的参数确实对钛氧化物忆阻器的导电性有影响，且有两种横截面积对忆阻器的导电性都有影响。这一探索对于未来优化忆阻器导电性有着重要作用，可以依次结论作出更加好的导电性的忆阻器。

3 基于忆阻器的一些简单应用

忆阻器的发现使得很多领域得到质的发展，例如计算机科学，电子工程，生物工程，通信工程以及神经网络等等。

3.1 基于忆电阻的混沌电路

根据忆阻器的原理可以分为荷控与磁控两种混沌电路^[1-3]，而目前忆阻器混沌电路大多都是基于磁控忆阻器发展的，都是利用忆阻器与电容并联实现。

3.1.1 荷控、磁控忆阻器的研发

2008年惠普实验室研发了第一个忆阻器实物，也因此证实了37年前蔡少棠科学家的理论。惠普实验室研发的忆阻器是由夹在铂电极间的两层不同掺杂的二氧化钛构成。根据M（q）=a_q-b_qq（t）荷控忆阻器表达式设计一种荷控忆阻器模拟器，具体电路是由如下图几种元件构成，通过串并联的方式实现元件之间的互通。

根据磁控忆阻器表达式设计了磁控忆阻器模拟器，其电路如图所示

3.1.2 基于荷控和磁控忆阻器的混沌电路

混沌电路通过磁控与荷控两种忆阻器以串并联的方式紧密结合，其中磁控忆阻器与电容并联，荷控忆阻器与电感串联。混沌电路由一个电感两个电容两个忆阻器构成。利用荷控与磁控忆阻器模型我们可以尝试着去设计一些复杂的混沌电路，混沌电路，顾名思义，电路中充满着未知与随机，就好像一切都是混沌初开让人充满了探索欲。混沌电路有着非常强的随机性和复杂的算法，这就使得在通信设备中将会得到广泛的发展。利用混沌电路可以对通信进行加密从而不容易被第三方破解，使信息交流更加安全。

3.2 忆电阻在计算机科学中的应用

忆电阻是纳米级材料，它有着不浪费电，物理尺寸小，集成度高的特点。想想计算机刚诞生的样子，一台计算机有着好几个足球场大小，而现在的笔记本电脑却能够方便的携带。那么有没有想过有一天计算机可以变得更小，就像某些科幻电影里的手表模样的计算机。不要觉得这些都是幻想出来的，随着科学的发展，幻想的也会成为真实的，这些只不过是时间的问题。这些只是忆阻器带来的在计算机中体积的改变。而它还有着能耗低的特点，想想看，随身携带着一台迷你式的计算机能够不间断使用很长一段时间是不是很棒。随着对忆阻器的探索将会带动着计算机的质的发展。

忆电阻可以利用其产生的高低阻值实现“0”，“1”进行存储数据，与传统存储数据相比，忆阻器的电阻是其本身的状态，并不会因为断电而使阻值清零从而丢失数据。这就使得计算机可以即开即关而不必担心数据丢失。

3.3 忆电阻在通信工程中的应用

忆阻器作为无源二端电路元件是非线性的，在含有忆阻器的非线性电路中会产生混沌现象^[4]，这就使得具有非常好的随机性。在通信设备中使用忆阻器元件进行加密，这种随机性将会给破解密码造成很大的困扰，从而增强通信的安全性。无论在哪里，在哪些领域，通信都是必不可少的且必不可泄的。信息交流一旦被有心之人窃取将会被别人利用其作出伤害自身的事。因此，忆阻器的发展对通信加密有着很大的作用。不可被窃取的通信才能够保障人生安全，给用户放心的使用。

3.4 忆电阻在神经网络中的应用

通过忆电阻元件能够产生混沌电路，利用这种复杂的电路模拟工作方式可以实现人工神经网络和新型脑类系统。

3.4.1 基于忆阻器混沌电路的改进型细胞神经网络

传统的细胞神经网络单元用忆阻器本身的非线性改进。而4个细胞神经网络单元可以连接到一种基于忆阻器控制细胞神经网络单元的混沌电路。之所以混沌电路能够这样实现主要原因是现有的忆阻器混沌电路直接由原来的蔡少棠发现的电路通过非线性器件忆阻器的更换。然而，这种直接替代元件的混沌电路含有电感，导致电路的鲁棒性差，鲁棒性差，在应用中容易受到其它因素的干扰，电路不稳定，在实际应用中存在很大的局限性。我们也可以把这种混沌电路对应到相应的SC-CNN电路。

1988年CNN理论的提出，使得细胞神经网络在图像加密，通信加密等等领域中得到广泛的应用。但是目前来看忆阻器不能够实现商品化，这些基于忆阻器的模拟等效电路也只能够存在实验中，想要得到商业化还需不断努力的探索与研究。

3.4.2 基于忆阻器的spiking神经网络

人工神经网络是一种人类通过一些电子器件进行模拟人类大脑，进行信息处理的数学模型^[5,6]。科学的发展使得人类有时想得到更多，想通过以人工神经网络为基础制造的人工智能机器人来代替，完成一些危险且艰难的任务。而Spiking神经网络因为更加符合生物信息处理机制，从而成为神经网络领域的研究热点。忆阻器与生物突触有极大的相似性，如果人工突触的研究有了忆阻器的加入，那么人工突触的发展将会更加快速。人工突触与忆阻器的结合也会带动着人工智能的迅猛发展。忆阻器是一种具有记忆功能的器件，它的阻值会随着电压的改变而改变，即使断电了也会保持着阻值的不变，这就保证了处理数据与存储数据成为了可能。

Spiking神经网络主要由神经元和突触连接构成，当一端神经元达到某一种特定条件时，神经元会向外发送信号，然后突触接收信号并更新权值^[7]。通过突触将两个神经元连接起来，突触就像是信息的中转站，但是神经元之间信号的发出和接收不可能一直保持一致，所以当前后两种神经元发出信号存在差异时，突触连接强度就会得到修正。这就好像中转站并不是机器死板的传递信息，而是具有人工智能型的去处理一些信息后再发出。

经过试验发现当忆阻器两端有外加电压时，掺杂区的氧空位就会在电场的作用下发生离子漂移，掺杂区和非掺杂区的所占比例就会变得不同，而忆阻器的有效电阻^[8]也会跟着随之改变。当我们测出掺杂区所占比例增大而非掺杂区减小时，这是我们会发现外加偏压是正的，测量忆阻器的有效电阻就会发现阻值变小了；继续改变外加偏压，数据显示掺杂区所占比例减小而非掺杂区增大时，外加偏压此时是负的，忆阻器的有效电阻阻值变大了；当我们不加偏压，就好像机器没有了燃料，氧空位就会失去动力停止漂移，掺杂区和非掺杂区的离子几乎静止不动，两边所占比例没有发生变化，忆阻器的有效电阻也就不会变。

通过忆阻器与生物突触的相似性得到灵感，构造了基于忆阻器的spiking神经网络系统。而结合忆阻器的记忆能力与spiking神经网络的高效处理能力在神经网络领域中将有着巨大的研究价值与非常可观的发展前景。

4 忆阻器的发展前景

1947年发明了晶体管之后，计算机领域就一直由晶体管领导着，自从忆阻器的发现与证实后，以晶体管为主的电子时代进入了尾声，而新型无源二端电路元件忆阻器成为了离子时代开端的标志。

4.1 忆电阻与晶体管的区别

以硅材料制作的晶体管一直是用来制作芯片的主要材料，这种材料能够控制电流的流动从而能够管理信息。但忆阻器的问世使得晶体管即将成为过去式。忆阻器最大的特点在于突破了传统的二进制计算，它能够处理0和1之间的数据，这就使得在处理数据是更加的智能化，仿真人类大脑的运作模式。基于忆阻器这种特性研制出的计算机更为强大，具备了学习和决策的能力，使未来的人工智能更进一步。

在2014年，利用记忆电阻制造计算机的计划被已知研究忆阻器的惠普公司提出，该计算机处理方式将使用电子进行，通讯利用光子进行，最关键的是存储方面将改变以往的电子而是用离子离子进行存储。一旦此计算机被研制成功那将会引领着计算机的一次变革。存储技术一直是电子行业的难题，就好像如今安卓手机用的时间久了就会变得非常卡，但忆阻器就可以做到既快又小，它能够在一秒之内处理百亿个程序，如此处理速度又怎么会担心卡顿呢。

4.2 即开型PC将成为可能

忆电阻最简单的特性就是非易失性，利用它能够制作出非易失性存储器。当我们关闭计算机再打开时，往往会忘了关闭计算机之前的存储状态，需要我们等它将所有数据从计算机中调到动态存储器中。这就好像记忆不好的人总是会写下纸条来防止忘记某些事，当想不起来再去找纸条来回忆就会浪费很长时间。而利用忆阻器来实现计算机的处理能力就会像记忆非常好的人一样不会遗忘曾经做过的事，在关闭与打开计算机时，那种数据状态都是瞬时的。有了这种记忆特性，忆阻器可以使得手机与计算机在电量耗尽几周甚至更久也能保存信息，不会担心因一些失误而丢失重

结论

本文重点诉说了忆阻器的提出到被证实，以及对忆阻器影响的一些参数和在诸多领域中的应用。自从1971年忆电阻的概念被蔡少棠提起到2008年惠普实验室作出实物得到证实，忆电阻的发展与研究可谓是势如猛虎。忆阻器因为它的非线性，不容易丢失数据，记忆信息的特性，并且结构简单、存储速度快、能耗低、集成度高等优点，在未来的新型电子器件研究领域中将会得到广泛关注。虽然目前忆阻器并不能够得到商品化，但对它的研究不会停止一秒钟。在理论中，忆阻器能够应用于各种领域，例如在传统电路中的应用，对于逻辑电路，忆阻器的引入很大程度上提高了传统器件的性能，并且能够以更简单的方式实现基本逻辑操作，这对简化传统电路有着重要的作用。在生物模拟领域中，忆阻器具有独特的非线性记忆特性，离子迁移与神经突触非常相似，使得忆阻器在生物模拟和人工智能中有着独特的优势，模拟神经网络系统能够无比接近人类大脑。在计算机领域中将会是一个历史性的变革，忆阻器的发展是计算机处理能力得到大幅度增强，存储能力显著提升，即开型PC也会成为可能。可以预见，随着对忆电阻的研究工作不断深入发展，忆阻器的应用及产业发展一定会得到突破，并且将会推动着相关产业的迅猛发展。

参考文献

[1]洪庆辉;曾以成;李志军.含磁控和荷控两种忆阻器的混沌电路设计与仿真[J].物理学报,2013,62(23):99-102.

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