前几天去北京开香山会议，会议主题是研讨“电阻存储”技术。几天会开下来，有了一些奇怪的感想，涂鸦于此供各位“茶余饭后”与批判。

 

目前数码(digital)信息存储主要体现在两块地方。一块是将信息永久存储，如硬盘(包括U盘等)、光盘之类；一块是将信息放在电脑内存(RAM)里面与CPU联动使用。对于前者，我们追求高密度高速度；对于后者，在高密度高速度之外还要追求“非易失性(non-volatile)”，即信息保持不需要目前CMOS电路的不断刷新，即便断电后信息仍然保存在RAM中。从这个意义上看，信息存储这两所司职类似的连襟正在走向联手。也就是说，用于第一块存储信息的介质与方法正在被移植到第二块中。

 

大家知道，目前的信息存储技术主要有如下几种：

 

l        硬盘磁存储利用自旋有序排列来实现。

l        IC卡铁电存储利用电偶极矩有序排列来实现。

l        VCD/DVD光存储利用介质孔洞和激光扫描来实现。

l        相变存储通过控制介质处于晶态和非晶态来实现。

l        闪存(flash)存储、静态(static)存储等等。。。。

 

这些存储方法设计巧妙、结构独特精美、聚集了人类非凡的智慧与巧手灵心。它们已经在市场上被广泛使用。

 

其实，最能体现人类那一小撮非凡本领、利用起来也最简单的元器件是电阻。但是，有趣的现象是：电阻似乎从来就没有作为主角登陆信息存储这方大雅之堂。这一非“正常”之处引起了我这样的“半吊子科学家”很大的兴趣。

 

所谓电阻存储，就是说存储的信息状态用存储介质的电阻大小来标定。特别是如果我们能够通过某一物理过程使得介质电阻只能选择两个固定数值，那么这种两态电阻就特别适合用来进行信息储存，而且比现有的存储技术要简单得多。当然，如果电阻能够固定在三个或者有限多个状态之间选择，那么实现多态存储也是举手之劳了。

 

普天之下有没有这样的好事情呢？据说有的！下图所示是一种据说很有前途的材料在正负电场脉冲作用之后显现的电阻状态：

 

 

 

各位可以清楚看到，对这个类似简单三明治平面电容器结构的介质施加一个正向电压脉冲，然后去测量电阻，你“感觉”到了一个低阻。撤除电压或者施加一个负向电压脉冲，然后去“感知”电阻，你得到了一个高阻。当你“吃饱了没事”反复施加高低脉冲时，你能够感知到电阻在高低阻值间来回变换。这种现象还有很多变种，但是本质上这就是人们推介的“电阻存储”效应了。

 

当然，很多种材料都有这种电阻存储效应，主要是那些原来大家“不喜欢”的“脏”材料。说它们“脏”是指它们既不是好金属，也不是好绝缘体，当然也不是什么好半导体。它们是自然世界中一些什么本事都有一点却什么本事都不精通的成员。由于“电阻存储”，它们总算悉数登场、开始身价倍增了。

 

你将这些材料切削成薄片，上下两个面做上电极形成一个三明治，就是一个电阻存储单元了。这一现象被零零散散研究过很多年，但是一直都没有闹明白其中的物理是什么。日本和韩国一些公司干脆抛弃你丫物呀理的，不管三七二十一做出了集成度不低的电阻存储器(Resistive RAM，俗称RRAM)。这次香山会议就是要议一议其中的关键科学问题是什么。

 

最近几年，人们提出了很多理论来解释这一“简单”的现象。按照当前多数人的理解，其核心物理图像似乎并不复杂，虽然描述起来也绝非易事：在电压作用下，介质内部电荷粒子或缺陷形成导电通道，获得低阻。一旦撤出电压或者加上反向电压，导电通道可以被破坏，从而出现高阻。

 

这一物理作为存储记忆有没有问题呢？至少有三：(1)电阻状态会随着时间而慢慢漂移；(2)施加电压脉冲多了(比如10⁶次)电阻状态也会改变，我们叫疲劳。(3)同一批做出的这个三明治与那个三明治的电阻状态不一样。所以，目前的电阻存储作为一种技术似乎既不稳定也不可靠。这可是比较糟糕的事情！

 

如果从其中的物理来看(假定这物理是对的)，我们会“发现”一个很简单却十分残酷的事实：实现电阻状态变换依靠导电通道的开与关。可是这个通道的开或者关它不是一个能量上稳定的状态，即它不是介质的基态。而磁存储、铁电存储都是自旋或者电极化排列基态，即便是相变存储也是准基态(那非晶态晶化可能需要一万年)。因此，基于导电通道的电阻状态似乎命中注定是不能长寿的。呜呼！这个特性必须压制才能最终登台开腔。

 

现在我就可以来卖一下什么叫“存储基态”了。

 

从狭义角度看，信息世界中用以存储信息的“0”和“1”代码在物理世界中用序参量的不同状态来实现，例如自旋排列有序时指向上方的为“1”，指向下方的就为“0”。如果这两个状态是系统能量的基态，我们称这两个状态在能量上是简并的(degenerate)，是存储基态。基态存储是可靠保存信息的基础，而非基态存储信息就不那么可靠安全了。比如，目前的DRAM存储就是这种需要实时刷新的非基态技术，其后果之一是一旦一段时间没有刷新，信息就会衰退丢失。此乃常识，所以按下不表。

 

从广义角度看，生灵世界中“生老病死、七情六欲”是基态，一切社会运作模式如果不依赖这七情六欲、生老病死基态来构建，大概都属于激发态，因此可能是无法长久稳定，或者是无法获得高品质的。维持这种激发态之手段不外乎不停地进行精神灌输、教育或者价值导向宣传。

 

过度追求“七情六欲、生老病死”之其一而非均衡全部，或者一味追求崇高的理想抱负，大概就是抛弃基态而青睐激发态。它们自然是社会变得如此丰富多彩、可歌可泣的源泉，是社会变革所需要的跃迁态。相反，基态最多只是死水微澜、波眠不惊。一个社会的合理基石应该基于人类的基态需求来构建。这是从物理角度来狂妄点评社会状态，俗称社会物理学。它是万千科学胡诌之一支，也在此按下不表。

 

无论表还是不表，基态存储或者存储基态是否为信息存储技术的不二法则？而当下的电阻存储最终能否花落基态？冥冥之中谁能够指点迷津呢？

 

 

 

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