71年蔡少棠消失的第四器件梗概.pdf

蔡少棠《忆阻器：消失的第四器件》阅读梗概（注：本文虽说是“梗概”，但绝大多数部分是对原文的翻译，只有少数部分是自己附加进去的一些解释 ）2008 年，一个叫忆阻器，被称为传统RLC 以外的“第四器件”横空出世，其神奇的性能和应用潜景引起了广泛关注但是， 媒体报道的内容并不足以全面地刻画忆阻器的性质， 所以， 为了尽可能更全面地了解这神奇的第四器件的性质，我找来了1971 年，忆阻器的最早理论预言者蔡少棠的教授的相关论文阅读长长的 13 页英文论文，对于我来说，是个不小的挑战：语言障碍，复杂的数学证明，高深的电磁学理论我所拥有的一点基础捉襟见肘，步履艰难但是出于兴趣，也出于自己的承诺，所以我还是努力地多次借助电子词典，反复阅读，以求尽可能读懂个大概所幸，这篇38 年前的论文，不愧是出自大师之手，全文文理清楚，层次分明，所以即便学识浅薄如我者，无法读懂其证明推理，也可以观其要旨，对 忆阻器有一个轮廓性的了解写此文，心中实在忐忑不安，如上所述，限于笔者水平有限，所以虽然经过多番努力，但仍然难免有错，同时也因无法读通全文，所以肯定不全面只求抛砖引玉， 让更多的人来关注这个神奇(但已经实际在研究的的属于不远的将来的器件。

也希望让更多水平更高的朋友指正，让我们更深一步地了解它！以下是梗概正文：首先介绍一下论文的结构：第一部分：属于对摘要的进一步扩充，同时对全文的主要内容作了一番简要说明第二部分： 介绍了预言忆阻器和定义的电磁学背景，（因为当时没有发现纯自然存在的忆阻器），同时完整地展示了相应的转换器并给出了验证过程的详细第三部分：这一部分（还有第四，五部分）是全文的重难点，首先给出了忆阻器的阻抗特性方程，然后理论预言了忆阻器的几个性质，每一个都给出了很详尽的证明第四部分： 仿照用麦克斯韦方程对RLC 的电磁特性解释，作者试图同样用麦克斯韦方程的准静态式给忆阻器一个电磁解释第五部分：举了三个例子，说明了忆阻器可能的一些新颖的应用领域这三部分是全文的重难点，其中对于每一个内容都有完整的公式推导和证明，可惜，这也正是让笔者头皮发麻的地方，同时，也出于本梗概“介绍型”和抛砖引玉的定位，笔者只能观其要旨， 并把它们展现出来，至于完整的证明和推导过程，只能请感兴趣的读者去阅读原文了第六部分：对全文的总结和对忆阻器存在，应用等方面的展望以下是各部分的主要内容：第一部分介绍这篇文章展示了一种叫作忆阻器 (记忆电阻器的简称) 的新型二端电子器件存在的逻辑和科学基础，它完全可以像电阻，电容，电感那样，作为一个基本的元器件。

尽管 忆阻器作为一种无需外部供电的物理实体器件仍然未被发现，但是在论文的第二部分，将会展示它在实验室里的一个有源电路实现形式忆阻器具有许多有趣的性能，其中最重要的应该要算是其物理实体器件存在性的基本电路性能——也就是它的无源性，这些将会在论文第三部分做一个扩展在第四部分， 我们将会利用麦克斯韦方程的准静态延伸式对忆阻器在电磁场里的性能作一番解释最后，在第五部分，将会展示忆阻器的一些新颖的应用第二部分忆阻器——第四器件首先说明了为什么会从理论上预测忆阻器的原因： 电磁学具有四个基本量：电荷q，电压u，电流i，磁链（磁通）任意取其中两个量可以定义六个关系式，其中五个已经为我们熟知，分别是：电流的定义：t ditq)()(电压的定义：)(tt dv)(另外三个分别定义了电路中常见的三种无源器件R,L,C，分别：电阻 R 由电压和电流的比值定义；电容 C 由电压和电荷的比值定义；电感L 由磁通和电流的比值定义唯独还漏了一组关系式，那就是磁通和 电荷 q 作者认为，毫无疑问地，有必要从这个比值出发定义一个假设的第四器件而这也就是本文论述的忆阻器，这么命名是因为从下文我们可以看到，它看起来多少像一个带记忆的非线性电阻。

然后，作者给出了三种转换器，分别是M-R,M-L,M-C转换器，再分别接上一个对应的非线性电阻，电容，电感，则可以把相应的-q 特征曲线转换成相应的u-i 特征曲线（对于M-R 的非线性电阻，对M-L,M-C则是相应的-i 曲线， q-v 曲线）接着论文给出了一张表，分别列举了以上三种转换器的两种受控源电路模型，借由这些模拟电路，只要针对特定的-q 特征曲线，选择具有相应u-i 特征曲线的非线性电阻（这里以 M-R 为例，事实上，本文也是以它为例展开的，作者只做了M-R 的模拟电路 ） ，就可以很轻易地实现忆阻器的模拟所以，文章还附上了一幅具体的M-R 转换器的电路 (图 Fig.2) 为了验证该转换电路真的可以实现忆阻器的功能，需要做一个示踪器来检验附图Fig.3也在文章中 ）图 Fig.4 的三组图（对应不同的-q 特征曲线），很好地说明了该转换电路的确可以实现忆阻器的功能模拟特别地，如图Fig.5 所示，，我们给一个很简单的忆阻器电路（该电路为Fig.5(a)所示），加上一个交流电压源（本例中，分别给以63Hz 的正弦波源或者三角波源）对于三组不同的，但都很平滑的-q 特征曲线，但我们仍然可以观察到忆阻器两端的电压和电流波形显得“相当地特殊” 。

作者认为“对此我们不该感到奇怪，我们由此会发现忆阻器具有其他三种RLC 元件所无法具备的功能事实上， 正是这些特性让我们相信忆阻器将会在电路领域起到很重要的作用，特别是在模拟器件的领域和一些非常规波形发生器方面的应用，这些将会在第五部分展示 ”第三部分忆阻器的电性能首先给出了忆阻器的阻抗特性：因为定义忆阻器特性的是一条-q 曲线，所以，我们认为，当忆阻器由电荷为控制变量的时候，它的阻抗可以写成一个电荷的单值函数对应地，有以磁通为控制变量的时候，这时，它的电导值（在数值上等于阻抗的倒数）可以写成磁通的单值函数所以（在以电荷为控制变量的情形下），忆阻器两端的电压为：ddqMtitqMtV)()()())(()(其中类似地，我们可以得到以磁通为控制变量的情形下，流过忆阻器的电流为：ddqWtVtWti)()()())(()(其中我们可以明显看到，其中M(q) 具有电阻的量纲，这也就是为什么成为忆阻器的原因（并且它是增加的） ，而)(W则具有电导的量纲观察这两组式子，我们可以得出结论：这个单调增加的忆阻值（或者电导值） 在任何时刻， 都是电流 （或电压） 对时间的导数，所以，对于任意的一个特定时刻，它就像一个普普通通的电阻（电导）。

恰如我们对忆阻器的命名一般，贴切所以，我们进一步推出：当电流（或者电压）恒定的时候，它就是一个线性单调增加的电阻（或电导） 在最特殊的情况下，当电流或者电压是0 时，我们得到一个定值的电阻（或电导）但是，性网络理论里讨论一个线性忆阻器是没意义的我们已经表明了几乎任何的-q 曲线 都可以通过有源网络来模拟合成接下来的这些无源性质将表明：在现实中，我们可能会找到什么种类的，纯粹自然形式存在的实体器件，而无需带外加电源性质 1：由一条可微-q 曲线特性决定的一个忆阻器，其阻值能且只能是一个非负阻值即 M（ q）>=0. （注：此处将该曲线可微的条件改成连续也是可以的证明的要点是从忆阻器的瞬时功率非负入手，通过反证法，如果阻值为负，则得出功率为负，而这违反了忆阻器的无源性规定这个性质表明只有当该忆阻器具备一条单调递增-q 特征曲线时，才有可能存在一个无需外部电源的无源器件同时，我们也可以由此知道，除去一些可能存在的“变态”-q 特征曲线，忆阻器似乎并不违反任何已知的物理定律性质 2：（封闭定理）一个纯粹忆阻器单端口网络对外表现为一个忆阻器用的是基尔霍夫定律证明性质 3：存在和唯一性任何一个纯粹包含忆阻器（该忆阻器是单调递增的）的网络有且只有一个解。

此处的证明过程很复杂，限于本人水平，无法看懂，所以只提结论性质 4：性质 4 是在性质3 证明过程中，两个定义基础上的延伸，出于同样的限制原因，无法总结，表过不提性质 5：复杂度这里给出了一个对一个包含忆阻器，RLC ，独立源的网络N 的复杂度m 的公式其中，第一个括号内，如下表所示，分别表示，总的RLC 数量第二个括号，Nm 是表示只包含忆阻器的独立环路Nce 则是独立包含电容和电压源的独立环路 Nlm 类似最后一个括号，表示相应的割集第四部分忆阻器的电磁特性众所周知，电路理论是电磁理论一个有限制的特定部分特别地，用麦克斯韦方程的准静态式可以完美地解释三大无源器件RLC 的特性在这一部分里，我们的目的是，给出了类似的忆阻器的特性描述尽管这个理解并不是建立在不带外部供电的实际忆阻器器件的基础上，但是它很大程度上描述了那样一个将有一天会被发现的器件（忆阻器）许多电磁现象和电磁系统可以用零次，一次的麦克斯韦方程满意地得到分析相应的解法成为准静态分析这表明电路理论属于准静态场，所以可以通过麦克斯韦方程的准静态形式的得到研究RLC 器件的相应解可以在上述四个方程中得到而且可知， RLC 的一次解与0 次解相比，均是可以忽略的。

这意味着，在零次场里，Eo 和 Ho 是没有记忆性的 （对于电阻而言）而L，C 则可以看成是一个 L 和 R 串联，以及C 和 R 的并联一次解不可忽略的情形我们尚未发现，而我们认为这个由忆阻器特性给出的组合可能就是一次解不可忽略的情形通过一番推导，可以得到，在合适的边界条件下，我们会发现一次的D1 和 B1 是有记忆性的，这可以作为忆阻器的电磁特性的一个解释最后总结一下，可以得出的结论是：忆阻器器件一定对一次电场和一次磁场具有记忆性这个解释还意味着，忆阻器设备本质上是个交流设备，当它与直流的电磁场联系时，将会产生不可忽略的零次分量也就是说， 具备上述两个前提条件的忆阻器，如果接上直流电压源或电流源，在时间趋于无穷时，将会有无穷增大的电荷或者磁通量当然了，直观地说，我们是不会给直流电压源跨接一个电感，也不会给直流电流源跨接一个电容的注：这里的所谓的“记忆性“，笔者理解为是两个量对彼此的瞬时变化会产生一 种瞬时的反应第五部分忆阻器的一些新颖的应用A 忆阻器用于器件模拟1 模拟 OTS 这里，作者原文用的是Amorphous “ Ovonic ” Threshold Switch. 按作者的解释是，它是这样一个二段器件：采用非晶玻璃而不是半导体材料做成的一个固体器件。

作者的词中，Amorphous 指的就是这种无定形非晶材料上网查阅，反复比较，最终笔者认为作者说的这种器件正是OTS同样地，鉴于文中的分析和论证过程比较复杂，在此不提只是介绍了OTS 的情形OTS 是一种新型的双向阀值开关，利用OTS 可以做成一种新型的存储器，也就是英特尔正在积极开发的新一代存储器——相变存储器（PCM ）， OTS 作为该基本存储单元PCMS 的主要组成部分这种存储技术基于奥弗辛斯基效应（也就是单词中Ovonic 的意思）简单地说，奥弗辛斯基效应是指：材料由非晶体状态变成晶体，再变回非晶体的过程中，其非晶体和晶体状态呈现不同的反光特性和电阻特性，因此可以利用非晶态和晶态分别代表“0”和 “1”来存储数据相变存储器具有优于现有传统存储器的难以实现的要求，日前见到最新的消息是：“2009 年 10 月 28 日，美国加州圣克拉拉& 瑞士日内瓦 —— 英特尔公司与恒忆(Numonyx B.V.) 今天公布了一项突破性的相变存储器(PCM) 研究成果，这种新的非易失性存储器技术结合了目前各种存储器的优势研究人员首次展示了能够在单个硅片上堆叠或放置多个 PCM 阵列层的 64Mb 测试芯片。

这些研究成果为制造更高容量、更低能耗的存储器设备铺平了道路，能够为随机存取非易失性存储器和存储应用降低所占用的空间2 模拟 E-Cell E-cell ，这里，没法查到Electrolytic E-cell确切是什么意思，也不知道该怎么翻译才合适 但按照他的解释，翻译起来，意思是：一个可以产生从数秒到数月的时间延迟的二端电化学器件一个 E-Cell 可以看成一个超。