徐 敏

（重慶銀行博士后科研工作站，重慶 400024）

《中國新一代人工智能發(fā)展報告2020》顯示，中國人工智能國際合作論文數(shù)量持續(xù)增長，中美兩國處于全球人工智能科研合作網(wǎng)絡和產(chǎn)業(yè)投資網(wǎng)絡的中心，在全球人工智能合作網(wǎng)絡中發(fā)揮了積極作用。2019年我國人工智能領域論文發(fā)表數(shù)量達2.87萬篇，比上年增長12.4%，在人工智能領域各頂級國際會議上的活躍度和影響力不斷提升。此外，在近五年的全球人工智能高被引論文前100篇中，我國產(chǎn)出21篇，位居全球第二。我國人工智能專利申請量在2019年超過了3萬件，比上年增長了52.4%?，F(xiàn)今我國人工智能的發(fā)展雖然已經(jīng)處于國際主流地位，但是仍存在部分“卡脖子”技術，軟件層面有操作系統(tǒng)、底層代碼、開發(fā)平臺等，硬件層面上芯片是關鍵。

為布局未來人工智能的基礎硬件研發(fā)，學界和工業(yè)界應就人工智能未來發(fā)展中的核心元器件提前布局，記憶電阻器就是未來人工智能發(fā)展的重要核心元器件之一。1971年，美國加州大學伯克利分校的Chua L O[1]在研究非線性電路理論過程中，從電路變量關系的對稱性和完備性角度推導出除電阻、電容和電感這三大標準元件之外還存在第4種基本電路元件，并將其命名為“記憶電阻器”，又稱“憶阻器”(Memory Resistor，Memristor)，但在當時的現(xiàn)實中并未出現(xiàn)記憶電阻器。直至2008年，惠普公司的研究人員終于首次做出了納米記憶電阻器件，從此掀起了記憶電阻的研究熱潮[2]。記憶電阻器作為納米級器件，具有極高的集成密度，理論上半寬為5 nm的憶阻器可達到466 GB/cm2的存儲密度[3-4]。由于這種阻性非易失性存儲特性的存在，可以保留計算機關機斷電后的狀態(tài)，而存儲與運算融合的特點則有望改變當今計算機的體系結構、存儲與處理信息的方式，從而提高機器的運行效率[4]?；趹涀璧碾S機存儲器的集成度、功耗、讀寫速度都要比傳統(tǒng)的隨機存儲器優(yōu)越，其有著許多新的應用，例如憶阻硬件是實現(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡突觸的最好方式[5]，憶阻的非線性性質(zhì)可以產(chǎn)生混沌電路，因此其在保密通信中有了大量應用[6]。

本文以國內(nèi)一流的學術文獻數(shù)據(jù)庫平臺——萬方數(shù)據(jù)知識服務平臺為數(shù)據(jù)源，在其高級檢索中指定文獻類型為“期刊論文”，語種為“中文”，檢索信息為“主題（記憶電阻）OR主題（憶阻）OR主題（阻變存儲）”，發(fā)表時間截止到2021年6月，更新時間不限。通過人工閱讀結果文獻的題名和摘要信息，過濾和剔除掉不相關的文獻，最終得到結果文獻共598篇。針對這些研究文獻，對數(shù)據(jù)的挖掘采用了詞頻統(tǒng)計、高頻詞/低頻詞區(qū)分、共現(xiàn)矩陣分析和社會網(wǎng)絡分析等方法，分析憶阻器領域的發(fā)展現(xiàn)狀。

1 年代與期刊研究

通過對憶阻器的逐年發(fā)文量數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)（見第49頁圖1），國內(nèi)有關于憶阻器的研究大致分為4個階段。

圖1 發(fā)文量年分布圖

第一階段是2008年—2010年，由于2008年惠普公司首次研制出了納米記憶電阻器件，所以該階段盡管國內(nèi)的相關研究非常少，僅有11篇相關論文，但已經(jīng)開始關注憶阻器的落地研究，其中2008年的論文“憶阻器的應用——電子學最新電路元件的前景評析”充分描繪了憶阻器的未來發(fā)展。2009年的論文“阻變存儲器及其集成技術研究進展”系統(tǒng)地對憶阻器所屬的阻變存儲器領域進行了研究，同年的論文“憶阻器應用于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的前景與展望”提出了憶阻器應用于人工神經(jīng)網(wǎng)絡非常具有前瞻性。該階段為國內(nèi)憶阻器研究的萌芽階段。

第二階段是2011年—2013年，該階段國內(nèi)有關于憶阻器的研究論文總數(shù)達到了90篇，是第一階段的近9倍，其中在2012年發(fā)表的“憶阻器與神經(jīng)元突觸聯(lián)系的分析”具體研究了憶阻器與人工智能以及腦科學研究中神經(jīng)元突觸的聯(lián)系。該階段為國內(nèi)憶阻器研究的成長階段。

第三階段是2014年—2017年，僅4年的時間，國內(nèi)有關于憶阻器的研究論文總數(shù)就達到了242篇，2016年是該時期國內(nèi)憶阻器研究的高峰，發(fā)文量達到了70篇，研究主題也越來越多元，涉及混沌電路（如論文“基于蔡氏對偶電路的四階憶阻混沌電路”）、混沌系統(tǒng)（如論文“基于憶阻器的時滯混沌系統(tǒng)及偽隨機序列發(fā)生器”）、神經(jīng)網(wǎng)絡（如論文“基于憶阻器的神經(jīng)網(wǎng)絡結構分析”）、憶阻器工藝（如論文“一步掩膜法制備ZnO納米線憶阻器”）等方面。該階段為國內(nèi)憶阻器研究的爆發(fā)階段。

第四階段從2018年開始至今，國內(nèi)有關于憶阻器的研究每年發(fā)文量開始穩(wěn)定在80篇左右（由于時間截止到2021年6月，2021年的數(shù)據(jù)不全），該階段研究成果不但更加多元，不同領域研究成果之間的交叉程度也越來越深入，如論文“ZnO自整流憶阻器及其神經(jīng)突觸行為”是在憶阻器制備工藝視角下研究神經(jīng)元的機制，論文“基于聚3,4-乙撐二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸鹽薄膜的憶阻元件特性分析”是在材料科學領域研究憶阻器電子元器件具備的特性，論文“氧化鉭/氧化鋁薄膜的阻變特性和突觸特性”是在材料科學領域研究神經(jīng)元突觸的機制機理。該階段有關于憶阻器的真正深入研究仍在繼續(xù)，是國內(nèi)憶阻器研究的成熟階段。

由于科學研究具有很強的周期性，對于新興技術來說，這種周期性表現(xiàn)為迭代螺旋式上升趨勢，即從完整的生命周期來看，包含了萌芽期、成長期、爆發(fā)期和成熟期，但是新興技術往往是一個量變引發(fā)質(zhì)變的過程，對于正在發(fā)展中的技術，其在生命周期中往往遵循“萌芽期→成長期→爆發(fā)期→成熟期→……→爆發(fā)期→成熟期”過程，在爆發(fā)和成熟的不斷迭代和螺旋過程中，技術發(fā)展或研究日臻完善，其最終會成為普適性技術（即長時間停留于成熟期）或被更新的技術所替代（即走向衰落期）。從憶阻器國內(nèi)研究的成果可以看出，該研究領域正在進入成熟期，伴隨著研究的不斷突破和學科的不斷交叉，未來將會形成一個又一個的爆發(fā)期，每個爆發(fā)期的論文數(shù)量會急速上升，隨后進入技術積淀的一個成熟期，最終也會形成一個個螺旋上升的研究過程。

通過對憶阻器的期刊論文數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，相關成果共涉及235種刊物，在發(fā)文排名前5的刊物中的發(fā)文量達到135篇，在598篇論文中占比22.58%，其中僅在《物理學報》一本刊物中的發(fā)文量就達到76篇，該刊可以認為是憶阻器研究的絕對核心刊物（見圖2）。

圖2 文獻類型及發(fā)文量圖

再通過分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)文量僅有1篇的刊物有131種，發(fā)文量有2篇的刊物有49種，發(fā)文量有3篇的刊物有23種，發(fā)文量有4篇的刊物有7種，發(fā)文量有5篇的刊物有9種。相比于《物理學報》單本發(fā)文76篇的情況，研究呈現(xiàn)出相對集中和相對分散的啞鈴狀結構，即國內(nèi)有關于憶阻器的研究呈兩極分化的趨勢，既存在領域內(nèi)研究過于集中于一兩本核心刊物的現(xiàn)象，又存在研究過于分散于其他刊物的現(xiàn)象。對憶阻器的研究領域來講，核心刊物發(fā)表難度過大，其他類刊物影響力較小，學術的馬太效應過于明顯。

2 作者研究

作者研究主要是發(fā)現(xiàn)高產(chǎn)作者和核心作者，其中高產(chǎn)作者是指在相關研究領域發(fā)文量較多的作者，他們往往是或?qū)⒊蔀檫@個領域的專家；核心作者是指在相關研究領域發(fā)文量最多的第一作者，他們往往是或?qū)⒊蔀檫@個領域的主要研究人員。對發(fā)文作者數(shù)據(jù)進行分析，598篇論文中共有1 359名作者，其中第一作者494名，表明相關的研究人員分布還是比較分散。通過作者分析，選取發(fā)文量排名前20的作者進行統(tǒng)計分析（見表1），發(fā)現(xiàn)西南大學電子信息工程學院的段書凱、王麗丹、胡小方，常州大學信息科學與工程學院的包伯成、武花干、徐權、陳墨，湘潭大學能源工程學院的曾以成、李志軍，中國科學院微電子研究所的劉琦、張鋒、呂杭炳、劉明，杭州電子科技大學的王光義是國內(nèi)憶阻器研究領域的高產(chǎn)研究團隊成員。其他如復旦大學的林殷茵、武漢科技大學的甘朝暉、中國人民解放軍空軍工程大學的馮朝文、南京師范大學的閔富紅以及中國科學院寧波材料技術與工程研究所的張洪亮等都是該領域的高產(chǎn)作者。

表1 高產(chǎn)作者表 （篇）

再對發(fā)文量4篇及以上的14位第一作者進行統(tǒng)計分析（見表2），常州大學信息科學與工程學院的包伯成和武花干，湘潭大學能源工程學院的李志軍、洪慶輝、譚志平，江南大學的段飛騰，華東交通大學的雷宇，中國礦業(yè)大學（徐州）的梁燕，南京師范大學的閔富紅，西北工業(yè)大學的邵楠，張家口職業(yè)技術學院的王建軍，哈爾濱工業(yè)大學的王曉媛，呂梁學院的王有剛，江西理工大學的張小紅是國內(nèi)憶阻器研究領域的核心作者。

表2 高產(chǎn)第一作者表 （篇）

通過對高產(chǎn)作者建立作者合作網(wǎng)絡的共現(xiàn)矩陣，共有36名作者，形成了一個36×36的共現(xiàn)二維矩陣，矩陣的行和列分別是這36位作者，行與列相交叉的單元格為他們在發(fā)表論文中共現(xiàn)的次數(shù)，共現(xiàn)次數(shù)值越大，則表明兩位作者的合作關系越緊密。通過鏈接這些緊密的關系可以分析出國內(nèi)憶阻器研究領域的核心團隊，此外共現(xiàn)次數(shù)值的大小還能夠體現(xiàn)出該作者在研究團隊中的重要性。通過作者研究群體的知識圖譜可以發(fā)現(xiàn)有6個主要的學術團體，即以西南大學的段書凱、湘潭大學的曾以成、常州大學的包伯成、中國科學院寧波材料技術與工程研究所的張洪亮、中國科學院微電子研究所的劉琦、中國人民解放軍空軍工程大學的馮朝文為代表的核心研究團隊。在分析每個作者與其他作者的聯(lián)結數(shù)量以及聯(lián)結權重，建立研究團隊熱力圖的過程中，可以獲得不同研究團隊的研究集中度和輻射廣度，其中西南大學的段書凱團隊研究強度在憶阻器的研究集中度上最高，常州大學的包伯成團隊盡管研究集中度不是最高，但是在熱力輻射范圍上要稍高于其他研究團隊，這表明團隊成員相對其他較為廣泛。

3 熱點主題研究

在學術成果中，關鍵詞是研究人員利用自己的背景知識、主觀經(jīng)驗和個人理解濃縮提煉出來的可以反映研究主體內(nèi)容和關注點的主題詞匯。在學術熱點研究領域，對關鍵詞的詞頻計算是最直接和有效發(fā)現(xiàn)研究熱點的方法，即通過高頻關鍵詞和低頻關鍵詞的區(qū)分來分析并找出本領域研究人員都在關注的熱點。其實早在1973年，Donohue等利用文獻計量學的方法分析了科學文獻，提出了科學文獻中高頻詞和低頻詞的界分公式。但是由于現(xiàn)代學術研究交叉越來越頻繁，其早期提出的計算公式已不適用于現(xiàn)在[7]。本研究利用Ochiia系數(shù)的計算構建關鍵詞共現(xiàn)相關系數(shù)矩陣，選取與“憶阻器”“阻變存儲器”“憶阻”計算值大于1的熱點重要關鍵詞，Ochiia系數(shù)的計算公式為

式中：Boundaries是熱點重要關鍵詞與普通關鍵詞分界的閾值；Frequence（X∩Y）是關鍵詞X與關鍵詞Y共現(xiàn)的詞頻；Frequence（X）與Frequence（Y）則分別指關鍵詞X與關鍵詞Y出現(xiàn)的總詞頻。在本次研究中，經(jīng)過統(tǒng)計計算，發(fā)現(xiàn)與“憶阻器”“阻變存儲器”“憶阻”3個詞Ochiia系數(shù)大于1的關鍵詞共有80個，這些詞作為憶阻器研究領域的最核心熱點，代表了憶阻器研究成果的主要特征。高頻關鍵詞如下：混沌電路、神經(jīng)網(wǎng)絡、突觸、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、突觸可塑性、PSPICE、混沌系統(tǒng)、等效電路、蔡氏電路、仿真、交叉陣列、非線性、動力學行為、動力學特性、分數(shù)階、人工突觸、憶容器、SIMULINK、伏安特性、電路仿真、RRAM、脈沖激光沉積、靈敏放大器、第一性原理、原子層沉積、氧化還原反應、氧化鉿、非揮發(fā)性存儲器、高密度應用、可堆疊、開關比、選通管、無源交叉陣列、阻變材料、退火、光電子能譜、阻值窗口、阻變性能、二維原子晶體、原子晶體、ZnO、平衡點集、憶阻機理、無源元件、蘊含邏輯、聯(lián)想記憶、脈沖時間依賴可塑性、吸引子共存、突觸電路、電路設計、導電細絲、非易失存儲器、阻變機制、三維集成、氧空位、低功耗、電阻轉(zhuǎn)變、多值存儲、氧化鉭、非易失性存儲器、細胞神經(jīng)網(wǎng)絡、阻變機理、時滯、同步、Lyapunov指數(shù)、MULTISIM、分段線性、脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡、SPICE、Memristor、邏輯門電路、憶阻神經(jīng)網(wǎng)絡、頻率特性、阻變、分岔、穩(wěn)定性、非易失性、乘法器、時變時滯、邏輯運算。

利用之前建立的關鍵詞共現(xiàn)相關系數(shù)矩陣，繪制熱門關鍵詞之間的關系，可以發(fā)現(xiàn)這些熱點研究方向之間的交叉關系，關鍵詞之間的共現(xiàn)次數(shù)越大，則表明這兩個研究方向越接近，未來也越容易出交叉成果。

從研究熱點網(wǎng)絡圖（見圖3）發(fā)現(xiàn)，與憶阻器相關的研究有以下方向，一是憶阻器的仿真和模擬，主要集中在憶容器、PSPICE和SPICE等方面的熱點；二是磁控憶阻器，主要集中在等效電路、電路特性、頻率特征等方面的熱點；三是混沌系統(tǒng)及混沌電路，主要集中在憶阻混沌系統(tǒng)、Lyapunov指數(shù)、細胞神經(jīng)網(wǎng)絡等方面的熱點；四是憶阻人工神經(jīng)網(wǎng)絡，主要集中在突觸、人工突觸以及突觸可塑性等方面的熱點；五是動力學分析，主要集中在動力學行為、低功耗以及穩(wěn)定性等方面的熱點。除了以上各部分與憶阻器相關的研究之外，另一大類主要是與阻變存儲器相關研究，其主要集中在憶阻材料相關研究（氧空位）、阻變的機制機理等方面的熱點。

圖3 熱點網(wǎng)絡圖

4 結束語

本文通過詞頻統(tǒng)計、高/低頻詞區(qū)分、共現(xiàn)矩陣和社會網(wǎng)絡等方法分析萬方數(shù)據(jù)知識服務平臺中關于記憶電阻器的相關期刊論文，對國內(nèi)記憶電阻器研究的年代與期刊分布、作者團隊分布和研究熱點發(fā)現(xiàn)等方面進行了分析，了解國內(nèi)記憶電阻研究領域的發(fā)展現(xiàn)狀，可以為未來人工智能核心元器件布局提供借鑒。