| 半导体工业或进入碳时代 |
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| (2013-7-29 13:26:53) 1366人次浏览 |
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《中国科学报》24日报道，国防科技大学教授徐晖表示，忆阻器带来的变革，将在世界电子科技领域引发一场基础性的影响重大的竞赛。
忆阻器是一种能够模仿神经功能的微电子元件，由极薄的纳米薄膜（二氧化钛纳米薄膜）制成。报道称，中科院计算所研究员、IEEE终身Fellow闵应骅表示，未来半导体工业有可能从“硅时代”进入“碳时代”。徐晖介绍，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。自惠普忆阻器原型问世以来，国际研究迅速升温，至今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。
第一创业证券分析师刘新燕表示，忆阻器国内研究相对落后，虽然已经引起国内有关部门的重视，但是，当下忆阻器还处于实验室的水平，离实际应用还有段距离。对于相关题材炒作，投资者还需谨慎。
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忆阻器取代晶体管引全球技术竞赛 中国严重落后
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。图为惠普忆阻器研究人员。
目前，国内忆阻器研究仍处于“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。
5年前《自然》杂志的一篇论文，让“忆阻器”三个字广为人知。这一被美国加州大学伯克利分校教授蔡少棠于1971年预言存在的第四种基本电路元件，在经历晶体管时代漫长的“下落不明”后，被惠普实验室首先“找到”，轰动了全球电子学界。
然而5年过去了，尽管每年都有关于忆阻器机理和应用的重要进展问世，来自中国的声音却鲜有耳闻。
不久前，蔡少棠应邀到访国防科技大学。这位华裔科学家发出提醒：忆阻器绝不只是一个理论模型，而是“实实在在的”。
“忆阻器带来的变革，将在世界电子科技领域引发一场基础性的影响重大的竞赛。如果再不加以重视，惠普一家公司就足以打败我们”。国防科技大学电子科学与工程学院教授徐晖对记者如是说。
有望续写摩尔定律
越来越多科学家认为，最迟至2020年，见证半导体工业长达半个世纪进化的“摩尔定律”将迎来物理极限大考。石墨烯被认为是替代硅最有前途的材料，但究竟哪种元器件堪当此大任，科学家仍在寻找。
忆阻器存储发展历程。2011年惠普宣布已经和韩国海力士半导体达成合作研发协议，双方将共同致力于在未来的产品中使用Memristor忆阻器技术。
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。
闵应骅告诉记者，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、长江学者缪向水则表示，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，目前看来还不太现实。
“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。不过几乎所有受访者均认为，这正是一个历史机遇，我国研究者应有所作为。
美国密歇根大学科学家开发出一种由纳米级忆阻器构成的芯片，该芯片能存储1千比特的信息。发表在《纳米快报》（Nano Letters）上的此项研究成果将有可能改变半导体产业，使成功研制出更小、更快、更低廉的芯片或电脑成为可能。
国内外鲜明对比
“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，徐晖表示。
据了解，自惠普忆阻器原型问世以来，国际研究迅速升温，至今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。他向记者坦承，“国内忆阻器研究目前还处于初始阶段”。
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。
记者查阅全国博硕士论文库发现，2009年时，尚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。
不过，在段书凯看来，目前国内研究仍处于“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。
“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。
据了解，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”。近期，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。
一个能学习的纳米元件：比勒菲尔德大学研制的忆阻器被内置于比人头发薄600倍的芯片中。
鸿沟待跨越
从长远来看，更大的挑战则来自于知识、学科和行业之间的“鸿沟”。
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”。闵应骅直言不讳告诉记者。
而在教学体系设置上，记者发现几乎所有理工科大学生必修的本科基础课程《电路原理》，直到目前仍未将“忆阻器”纳入，以致于不少师生对于忆阻器都普遍感到陌生。
清华大学负责《电路原理》课程的主讲教师、该校电机系副系主任于歆杰认可了上述说法。
于歆杰告诉记者，早在2008年8月，即惠普忆阻器论文刊出3个月后，全国高校举行电路教学年会，首个特邀报告便是由他与北京理工大学教授龚绍文合作的《关于电路第四基本元件的读书报告》，“反响很强烈”。
彼时，由于歆杰等编著的《电路原理》教材刚出版不久，书中有一个非常重要的图，即“电路基本量与电路基本模型间的关系”中的三个基本元件——电容、电阻和电感，“唯独缺忆阻器”。
可实用器件的迟迟未问世，的确给进入教材带来了一定挑战。不过于歆杰透露，他已开始着手教材修订，将忆阻器这一理论上长期“缺失的一环”补上。
徐晖则表示，系统化的知识体系尚未成型是忆阻器进入教材的另一重要障碍。
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。
忆阻器的优异性能，已经展现出其广泛的应用前景。这中基础元器件，将从根本上颠覆现有的硅芯片产业。
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