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電路學大發現──傳說中的「憶阻器」現形

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惠普實驗室(HP Labs)的資深院士R. Stanley Williams不久前成功地證實了有關「憶阻器
(memristor)」的學說──所謂的憶阻器是指電子電路中除了電阻、電容與電感之外的第
四種被動元素，早在1971年就由美國加州柏克萊大學教授Leon Chua所提出，不過當時僅
是初步發現，直到日前才由HP正式發表。而此一成果也意味著相關教科書必須重新改寫。

憶阻器概念的創始人Chua表示：「我的處境跟1869年發明化學元素週期表的俄羅斯化學家
Dmitri Mendeleev很類似；Mendeleev當時假設該週期表上有許多失落的元素，而現在所
有的化學元素都已經被發現了。同樣的，來自HP Labs的Stanley Williams發現失落的電
路元素──憶阻器。」

Chua當時是以數學推論電子電路在電阻、電容與電感之外還有第四種元素；他將之命名為
憶阻器的緣故，是因為該元素會透過電阻的改變「記憶」電流的變化。而現在HP則宣稱發
現了首個憶阻器的實例── 它是由一片雙層的二氧化鈦(bi-level titanium dioxide)薄
膜所形成，當電流通過時，其電阻值就會改變。

「此一新發現的電路元素可解決今日電路學上的許多問題，因為當其尺寸縮小，其性能也
會提升。」Chua.表示：「憶阻器可實現非常小的奈米等級元件，且不會產生現今將電晶
體尺寸縮小的過熱問題。」

HP已在其超高密度縱橫式交換器(crossbar switches)中測試過以上元素，該交換器使用
奈米線(nanowires)達到在單晶片中儲存100Gbits容量資料的記錄；而目前最高密度的快
閃記憶體晶片則可儲存16Gbits的資料。

「我們花了多年時間尋找應用在超高密度奈米線縱橫式交換器中的最佳材料，以實現在一
平方公分的面積內容納1,000億個縱橫閂(crossbars)的目標。後來我們發現，最理想的材
料就是憶阻器。」Williams表示。

Williams除了是憶阻器以二氧化鈦為基礎的材料的主要發明人之外，亦是HP成立了12年的
資訊與量子系統實驗室(Information and Quantum Systems Lab)的創始主管；他所率領
的研究團隊並將該材料的配方最佳化。

Chua 則表示，在過去的37年來，憶阻器所遇到的障礙是電子電路學說中一個普遍的錯誤
想法──即被動電路中，有關電壓與電荷之間的基礎關係。研究人員認為，電壓與電荷間
的基礎關係，應是在電壓的變化值，或稱電通量(flux)，與電荷之間；而這也是讓HP能研
發出電阻器的關鍵原因。

「電子理論學者在這些年來都使用了錯誤的變量比對──即電壓與電荷；事實上，電子理
論所遺漏的一個部份，是有關電通量與電荷之間的變量比對。」Chua表示，以上的錯誤觀
念與亞里斯多德運動定律(Aristotle's Law of Motion)的謬誤十分類似，該定律認為力
與速度(velocity velocity)應該是成正比的，但兩千年之後牛頓(Newton)指出其錯誤，
表示亞里斯多德用了不正確的變量，力應該是與加速度 (acceleration)成正比；加速度
是速度的變化值。


Chua指出，以上的例子與今日電子電路學中的錯誤觀念如出一轍，但所有的教科書給的資
訊都使用了錯誤的變量，即電壓與電荷；事實上，電壓與電荷間的基礎關係，應該是在電
通量與電荷之間才正確。

HP曾在多年前邀請Chua前往發表其學說，不過當時並未透露他們正在積極尋找憶阻器；直
到最近，Williams才告訴Chua，他已經使用了正確的變量，也就是電通量與電荷，發明了
世界上第一個可以運作的憶阻器。

憶阻器的運作模式類似一個帶著記憶體的非線性電阻(non-linear resistor)，可做為一
種尺寸小巧且高能源效率的記憶元件。不過Chua與Williams表示，憶阻器是一種新型態的
電路元素，可製造出的新元件會是大家無法預料的。

Williams與其研究團隊所發明的首個憶阻器，是以兩層三明治型態的二氧化鈦薄膜為基礎
；做為一種記憶元素，其運作方式是透過耦合該種材料中的原子運動與電子運動，來改變
薄膜的原子結構。

HP 所使用的底層材料，是由鈦原子與氧原子組成的對稱晶格(lattice)，可做為良好的絕
緣體；但頂層則摻雜了氧空缺(oxygen vacancies)，使其能成為導體(空缺越多導電性越
好)。HP在二氧化鈦中製造這種氧空缺的秘訣，是使用濺鍍沉積法(sputter deposition)
產生大量的氧，然後再削減氧氣流量產生空缺層。

透過在三明治層的上方與下方放置奈米線縱橫閂，電荷就會穿越該材料。Williams指出：
「我發現憶阻器材料的方法，就是透過研究二氧化鈦感測器的運作模式；這讓我想到，可
以透過移動該材料內的氧空缺來製造憶阻器。」

Williams表示，對該元件通電之後，就能推動材料層中的氧空缺到沒有氧空缺的地方，因
而改變其電阻係數值達1000以上，將憶阻器「開啟」；而若將電流逆轉，讓氧空缺回到原
地，就可「關閉」憶阻器。

就像Chua所預言的，Williams已經在計劃利用HP的縱橫閂結構，研發超越一般記憶體的全
新型態元件。「如果我們用快速猛烈的方式來對憶阻器通電，它的運作方式會像是數位元
件；但是如果我們用緩慢溫和的方式來對其通電，它就會像是類比元件。」他表示，該團
隊已經利用其縱橫閂結構，設計了一種同時具備數位與類比功能區塊的新型態電路。

Williams透露，在類比功能的那部份，他們希望能創造一種以憶阻器為基礎的類比計算元
件，其運作方式類似人腦神經元突觸，執行功能控制時會以比較對照的方式來進行，例如
判斷某樣東西的尺寸比另一樣東西大或是小。

該研發團隊尚未建立一個神經元網路，不過相信在其縱橫閂的類比功能部份應用憶阻器，
將可對神經元網路有很大助益。

HP計畫在2008年稍晚公佈其憶阻器材料的運作細節，以及該研發團隊已經最佳化的、在不
同型態電路中的奈米級縱橫式交換器架構。「憶阻器不只可做為現有記憶體元件的替代品
，也可望應用在人們從未想像過的各種新型態元件中。」Williams表示。

電路有記憶—憶阻器（Memristor）

基礎電子學教科書列出三個基本的被動電路元件：電阻器、電容器和電感器。任教於柏克
萊加州大學，並且是新竹交通大學電子工程系榮譽教授的蔡少棠(Leon O. Chua)，近40年
前就預測有第四個元件的存在：一個有記憶功能的非線性電阻器，即憶阻器（memristor
）。

惠普公司（Hewlett-Packard Co.）實驗室的研究人員最近證明憶阻器的確存在，研究論
文在1日的「自然」期刊發表。科學家希望能幫助製造出儲存更多資訊、更省電的記憶晶
片，優於今日個人電腦和其他數位裝置使用的記憶晶片。

現年71歲，就快退休的蔡少棠笑著說：「我從未料想到有生之年竟然能看見憶阻器的存在
獲得證明。我之所以感到萬分高興，是因為這證明了我的研究不是個人的想像，而是基礎
的原理。我能預見各式各樣的新科技，感覺非常興奮。」

蔡少堂發表的原始理論以「Memristor - The Missing Circuit Element (憶阻器—失落
的電路元素)」為標題，預測基本電子理論中除了電阻、電容、電感三種元素外，應該存
在第四種元素。惠普研究小組在自然期刊（Nature）發表的報告，則以「The missing
memristor found (尋獲失落的憶阻器)」為標題。

由於memristor具有記憶能力，當電源切斷後，還能記憶之前通過的電量，可以取代目前
電腦使用的動態隨機存取記憶體（DRAM），讓電腦不再因為重新開機，而失去先前的資料
。此外，memristor的電力需求很小，可以大幅縮小晶片體積、提高記憶體晶片性能，為
電腦產品帶來革命性的改變。

HP 研究人員表示，memristor可記憶過去的資料收集方式，並用於未來的指令判斷，其功
能類似人類大腦的搜集、理解模式。舉例來說，未來的微波爐可以自行依過去經驗，判斷
不同食物的微波時間長短。這種模仿生物智慧的電腦，不但能夠提升運作效能，也可用於
臉部辨識等複雜任務。

憶阻器的應用可能使未來的行動電話一次充電就能使用數周之久，個人電腦啟動加速，筆
記型電腦電池用光後仍能保留剛用的資料很久。這項技術幾年後也可能挑戰快閃記憶體技
術。
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電路有記憶 華裔學者40年前預測成真
【聯合報╱編譯張佑生／報導】
2008.05.02 03:00 am

基礎電子學教科書列出三個基本的被動電路元件：電阻器、電容器和電感器。任教於柏克
萊加州大學，並且是新竹交通大學電子工程系榮譽教授的蔡少棠，近40年前就預測有第四
個元件的存在，即憶阻器（memristor），實際上就是一個有記憶功能的非線性電阻器。

惠普公司（Hewlett-Packard Co.）實驗室的研究人員最近證明憶阻器的確存在，研究論
文在1日的「自然」期刊發表。科學家希望能幫助製造出儲存更多資訊、更省電的記憶晶
片，優於今日個人電腦和其他數位裝置使用的記憶晶片。


柏克萊加州大學電機工程和電腦科學系教授蔡少棠，1971年發表「憶阻器：下落不明的電
路元件」論文，提供了憶阻器的原始理論架構，推測電路有天然的記憶能力，即使電力中
斷亦然。惠普實驗室的論文則以「尋獲下落不明的憶阻器」為標題，呼應前人的主張。

蔡少棠接受電話訪問時表示，當年他提出論文後，數十年來不曾繼續鑽研，所以當惠普實
驗室人員幾個月前和他聯繫時，他吃了一驚。

現年71歲，就快退休的蔡少棠笑著說：「我從未料想到有生之年竟然能看見憶阻器的存在
獲得證明。我之所以感到萬分高興，是因為這證明了我的研究不是個人的想像，而是基礎
的原理。我能預見各式各樣的新科技，感覺非常興奮。」

憶阻器可使手機將來使用數周或更久而不需充電；使個人電腦開機後立即啟動；筆記型電
腦在電池耗盡之後很久仍記憶上次使用的資訊。憶阻器也將挑戰手持電子裝置目前普遍使
用的快閃記憶體，因為它具有關閉電源後仍記憶資訊的能力。利用惠普公司這項新發現製
成的晶片，將比今日的快閃記憶體更快記憶資訊，消耗更少電力，占用更少空間。

美國聖母大學電機工程系教授波洛德說：「憶阻器看起來肯定前景光明。能否大規模應用
？是否將比目前的快閃記憶體好上100倍，還是1,000倍，目前還很難說。」惠普實驗室量
子科學研究的團隊主任威廉斯預期，這項技術商業化的速度將會很快。
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惠普 記憶晶片技術大突破

惠普公司的科學家30日發表報告說，惠普已設計出一種簡單的電路元件，可用以模仿生物
功能，製造出體積極小而功能強大的電腦。這種稱作「憶阻器」（memristor）的元件，
可用於製造密度極高的電腦記憶晶片，只需消耗遠比今日記憶體晶片低的電力。


惠普公司的科學家30日發表報告說，惠普已設計出一種簡單的電路元件，可用以模仿生物
功能，製造出體積極小而功能強大的電腦。

這種稱作「憶阻器」（memristor）的元件，可用於製造密度極高的電腦記憶晶片，只需
消耗遠比今日記憶體晶片低的電力。

憶阻器是具有記憶特性的電阻器，也可能用以製造高階邏輯電路，如場效可程式閘矩陣（
FPGA）元件。憶阻器更大的潛力則是用以存取龐大的中介資料，而不限於傳統晶片存取的
二進位資料。憶阻器這方面的功能有如生物突觸，因此可用於多種形式的人工智慧。

獨立研究者說，憶阻器可能很快就能應用在電腦記憶體，但其他應用將較具挑戰性。通常
科技應用要在取代舊科技的成本效益很顯著時，才會商業化。

惠普量子科學研究部主任威廉士表示，惠普正加緊發展步調，這項科技應該很快可以商業
化。

憶阻器的概念最早在1971年由柏克萊加州大學的華裔科學家蔡少堂提出。他近日接受訪問
時表示，已經數十年未研究這項技術，惠普研究人員數個月前連絡他，讓他大感驚喜。

蔡少堂發表的原始理論以「憶阻器———失落的電路元素」為標題，預測基本電子理論中
除了電阻、電容、電感三種元素外，應該存在第四種元素。惠普研究小組在自然期刊（
Nature）發表的報告，則以「尋獲失落的憶阻器」為標題。

憶阻器的應用可能使未來的行動電話一次充電就能使用數周之久，個人電腦啟動加速，筆
記型電腦電池用光後仍能保留剛用的資料很久。這項技術幾年後也可能挑戰快閃記憶體技
術