存儲(chǔ)器是一種專門用于存儲(chǔ)程序和各種數(shù)據(jù)指令的電子記憶部件，在各類電子設(shè)備中扮演著核心角色，是信息時(shí)代的標(biāo)配。

存儲(chǔ)器發(fā)展歷程

自從馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)被提出以來[1]，人類始終在持續(xù)推動(dòng)著存儲(chǔ)器件的創(chuàng)新發(fā)展。各類存儲(chǔ)器以其獨(dú)特的功能，支撐著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行，并在不斷發(fā)展中邁向新的高度。

存儲(chǔ)器的發(fā)展歷程可以追溯到早期的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)，當(dāng)時(shí)使用電子管作為存儲(chǔ)元件，速度相對(duì)較慢，且容量有限。電子管由于體積大、功耗高、壽命短等問題，由此制成的存儲(chǔ)器逐漸被后續(xù)的磁性存儲(chǔ)器所取代，如旋轉(zhuǎn)磁鼓和磁盤等。這些磁性存儲(chǔ)器，相比于電子管存儲(chǔ)器尺寸要小很多，但速度和容量卻得到了提升，并在可靠性上更加優(yōu)越。1970年代后，隨著半導(dǎo)體材料和技術(shù)的不斷革新，出現(xiàn)了更多形式的存儲(chǔ)器，它們按使用類型可分為只讀存儲(chǔ)器（ROM）和隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）。隨著技術(shù)的進(jìn)步，靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）、閃存存儲(chǔ)器（NAND和NOR）、帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）等相繼問世，持續(xù)改善和優(yōu)化了存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度、讀寫速度、使用壽命、功耗和可靠性等性能指標(biāo)，使得半導(dǎo)體存儲(chǔ)器成為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備和存儲(chǔ)單元等領(lǐng)域。

近年來，隨著技術(shù)的快速迭代和發(fā)展，人類社會(huì)大踏步進(jìn)入仿生時(shí)代。相應(yīng)進(jìn)展標(biāo)志著對(duì)電子設(shè)備的需求不僅集中在提高智能化和便攜性上，還對(duì)存儲(chǔ)器在柔性、靈活性等方面提出了更高要求，繼而催生了一系列新興應(yīng)用領(lǐng)域，如可穿戴設(shè)備、智能傳感器、智能家居、便攜式醫(yī)療設(shè)備、植入式電子產(chǎn)品、可卷曲顯示屏、生物醫(yī)學(xué)傳感器等[2-4]。這些新型電子設(shè)備均對(duì)存儲(chǔ)器的可彎曲、拉伸等性能提出了新要求。而傳統(tǒng)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器面臨著柔性和穩(wěn)定性之間的矛盾。因此，研發(fā)出在不影響性能的前提下可以完成拉伸、彎曲和扭曲的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)正變得非常必要。與之矛盾的是，為實(shí)現(xiàn)高性能存儲(chǔ)器，需要采用高穩(wěn)定性材料，但這些材料一般較硬，難以實(shí)現(xiàn)柔性特性。當(dāng)前大多數(shù)發(fā)展柔性存儲(chǔ)設(shè)備的思路與策略是將剛性存儲(chǔ)單元沉積在柔性襯底材料上，但這在靈活性上較為有限，且剛性存儲(chǔ)功能層與柔性基板間存在彈性模量不匹配，在動(dòng)態(tài)變形過程中會(huì)引發(fā)機(jī)械不穩(wěn)定，繼而使得存儲(chǔ)功能失效。

為從根本上實(shí)現(xiàn)柔性存儲(chǔ)器，必須同時(shí)采用柔性基底和柔性電極材料，但現(xiàn)今許多柔性材料的電學(xué)穩(wěn)定性往往較差。究其原因是受限于目前所用材料，導(dǎo)致存儲(chǔ)設(shè)備往往難以在柔性和穩(wěn)定性之間實(shí)現(xiàn)平衡，因而制約了應(yīng)用場景?？梢姡瑢?shí)現(xiàn)在拉伸、彎曲、自由接觸和形狀變形下均能正常工作的全柔性存儲(chǔ)器件是一個(gè)關(guān)鍵瓶頸，成為當(dāng)前柔性存儲(chǔ)器領(lǐng)域亟待解決的核心問題，相應(yīng)探索具有極為重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

液態(tài)金屬存儲(chǔ)器：柔性與穩(wěn)定性的完美結(jié)合

在這一背景下，作者實(shí)驗(yàn)室受生物神經(jīng)系統(tǒng)以極化和去極化方式處理信息的機(jī)制啟發(fā)，于近期提出了一類全新原理的液態(tài)金屬存儲(chǔ)器[5]，通過液相存儲(chǔ)的方式，成功解決了柔性存儲(chǔ)設(shè)備在柔性和穩(wěn)定性之間的矛盾，為制造高度集成和可靠的全柔性存儲(chǔ)器件開辟了可行途徑，尤其打破了傳統(tǒng)存儲(chǔ)方式的邊界，實(shí)現(xiàn)了將信息存儲(chǔ)于液體中，為神經(jīng)形態(tài)智能器件與計(jì)算體系等的研發(fā)打下了基礎(chǔ)，這一成果也預(yù)示著可望打開賽博格時(shí)代的大門。未來，液態(tài)金屬存儲(chǔ)器將與各種信息技術(shù)深度融合，創(chuàng)造出更具彈性、智能和適應(yīng)性的生物機(jī)器混合體。這一景象或?qū)⒁娮C人類在生物與工程學(xué)交匯的領(lǐng)域中邁出新的步伐，繼而催生出更為令人驚奇的技術(shù)進(jìn)步[6]。

液態(tài)金屬存儲(chǔ)器是一類利用溶液中液態(tài)金屬獨(dú)特的氧化還原機(jī)制制成的新一代信息存儲(chǔ)器，其中的典型材料鎵基液態(tài)金屬（gallium-based liquid metal， GLM）由于在室溫下具有良好的流動(dòng)性和出色的電學(xué)性質(zhì)，為此類存儲(chǔ)器的研發(fā)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。而且GLM在溶液環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)許多重要的物理化學(xué)行為，這為構(gòu)筑仿生物乃至類腦智能提供了天然的物質(zhì)基礎(chǔ)[7，8]。眾所周知，生物的記憶通常是通過大腦中神經(jīng)元之間的連接來實(shí)現(xiàn)的，而大腦作為一種高度復(fù)雜、具有記憶和思維能力的器官，組成成分約70%都是水，其中有著數(shù)百億個(gè)神經(jīng)元和數(shù)萬億個(gè)突觸連接，這使得大腦能夠在液相環(huán)境中以極低的能量消耗實(shí)現(xiàn)完全靈活、準(zhǔn)確的存儲(chǔ)記憶以及學(xué)習(xí)功能。從仿生學(xué)的角度來看，生物體內(nèi)水的存在是其與非生命體的主要區(qū)別之一，作者實(shí)驗(yàn)室為此提出了有普遍意義的液體集成一般性原則，旨在實(shí)現(xiàn)類腦智能和制造未來尖端機(jī)器人[9]。可以看到，將信息存儲(chǔ)在溶液環(huán)境中是自然界啟示給人類的一種特殊而高級(jí)的方式。這種獨(dú)特模式激發(fā)了科學(xué)家們對(duì)于利用液體材料設(shè)計(jì)仿生存儲(chǔ)單元的興趣，以期實(shí)現(xiàn)具有存儲(chǔ)密度高、可塑性強(qiáng)、能耗低、彈性好及適應(yīng)性良好的液相存儲(chǔ)設(shè)備。液相存儲(chǔ)的最大優(yōu)勢在于液體的流動(dòng)性和液相環(huán)境高效反應(yīng)特點(diǎn)，這意味著可通過在液體介質(zhì)中引入可溶性的離子或分子，賦予體系可被外場調(diào)控的能力。利用液體存儲(chǔ)的這些特性，更靈活、高效和智能的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)有望被突破，從而推動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的變革。液態(tài)金屬存儲(chǔ)器即是此類液相存儲(chǔ)器的典型代表，可由此迎來更多的科技發(fā)展與創(chuàng)新。

液態(tài)金屬存儲(chǔ)器可逆性氧化還原工作原理

為實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)功能，實(shí)現(xiàn)0和1兩種狀態(tài)穩(wěn)定可逆的轉(zhuǎn)變至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)揭示，GLM液滴在溶液環(huán)境中易于實(shí)現(xiàn)氧化和還原狀態(tài)的可逆轉(zhuǎn)變，這一過程僅需調(diào)控電流的大小和極性方向就可完成。這種存儲(chǔ)機(jī)制與歷經(jīng)數(shù)十億年進(jìn)化的生物腦通過神經(jīng)元的極化和去極化來實(shí)現(xiàn)高效且低能耗的思考和信息記憶存儲(chǔ)有著異曲同工之妙。研究揭示，GLM液滴由于氧化態(tài)致密氧化層的存在，整體導(dǎo)電性顯著低于還原態(tài)，二者之間的導(dǎo)電率差距高達(dá)11個(gè)數(shù)量級(jí)，這一巨大差異為存儲(chǔ)信息的裕度和穩(wěn)定性奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)，并且可根據(jù)實(shí)際需要加以靈活調(diào)控?；谶@兩種狀態(tài)之間的可逆轉(zhuǎn)換，便可以對(duì)0和1二進(jìn)制信息進(jìn)行編碼，進(jìn)而構(gòu)建和集成可讀寫、可擦除的存儲(chǔ)器[5]。

在實(shí)際應(yīng)用中，GLM穩(wěn)定可控、可逆氧化與還原至關(guān)重要。利用低壓電場對(duì)GLM進(jìn)行受控氧化，或通過改變電壓的極性，可將氧化后的GLM還原恢復(fù)至初始態(tài)，這兩種狀態(tài)之間的可逆轉(zhuǎn)變十分快捷且能耗極低，特別是，兩者之間的電阻差別迥異且相當(dāng)穩(wěn)定，這就確保了狀態(tài)識(shí)別的高可靠性和準(zhǔn)確度，為研發(fā)柔性存儲(chǔ)器提供了重要保障。為全面評(píng)估全柔性存儲(chǔ)單元的電學(xué)性能并建立理論體系，作者實(shí)驗(yàn)室測試了柔性存儲(chǔ)器在氧化過程中的頻率響應(yīng)特性，并繪制了電化學(xué)阻抗譜。根據(jù)奈奎斯特圖和GLM氧化的原理，可建立等效電路模型來評(píng)估柔性存儲(chǔ)器件內(nèi)部的電化學(xué)系統(tǒng)及其性質(zhì)，從而為進(jìn)一步優(yōu)化器件性能提供指導(dǎo)[5]。

液態(tài)金屬存儲(chǔ)器的可拉伸、彎曲及扭轉(zhuǎn)特性

通過將GLM 液滴封裝在一種可拉伸的生物聚合物中，并使用 3D 打印技術(shù)制作模具予以集成，可對(duì)該全柔性存儲(chǔ)器件的可拉伸性、可彎曲性和可扭轉(zhuǎn)性方面進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果證實(shí)了器件具有強(qiáng)大的抗拉伸疲勞特性。這些特性對(duì)于未來發(fā)展柔性智能系統(tǒng)具有重要意義。在工作溫度方面，研究顯示，在0～60℃，柔性存儲(chǔ)器能夠保持工作的穩(wěn)定性和可靠性。此外，值得注意的是，這種全柔性存儲(chǔ)設(shè)備還具備出色的可集成性。為說明這一點(diǎn)，研究人員測試了不同粒徑的GLM液滴在氧化和還原狀態(tài)下的電阻變化。結(jié)果顯示，隨著GLM液滴尺寸的減小，對(duì)存儲(chǔ)性能影響更大的高阻態(tài)/低阻態(tài)（HRS/ LRS）比值趨于增大，這種高密度可集成性使得液態(tài)金屬存儲(chǔ)器在工程領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景[5]。

液態(tài)金屬存儲(chǔ)器在實(shí)際應(yīng)用中的性能也得到了檢驗(yàn)。在所研制的一款由軟件和硬件組成的 FlexRAM工作系統(tǒng)中[5]，通過計(jì)算機(jī)命令，可將一串以0和1形式表示的字母和數(shù)字編碼到由8個(gè) FlexRAM 存儲(chǔ)單元組成的陣列上，相當(dāng)于 1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)信息。使用脈寬調(diào)制將計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，以精確控制GLM的氧化和還原，由此演示了存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的整個(gè)讀寫過程。通過這個(gè)系統(tǒng)，證明了柔性存儲(chǔ)器功能的完整性和可靠性。對(duì)于存儲(chǔ)器件來說，響應(yīng)速度、數(shù)據(jù)維持時(shí)間和可循環(huán)次數(shù)等是關(guān)鍵的性能參數(shù)。對(duì)單個(gè)存儲(chǔ)單元進(jìn)行的測試結(jié)果顯示，所實(shí)現(xiàn)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)具有出色的存儲(chǔ)速度（≥33 赫茲）、卓越的數(shù)據(jù)保持時(shí)間（≥43 200秒）和穩(wěn)定的長期使用性能（≥3500次循環(huán)），超過了大多數(shù)以往報(bào)道過的新型全柔性存儲(chǔ)器設(shè)備[5]。

通過對(duì)溶液中電觸發(fā)下GLM氧化和還原過程中電導(dǎo)率變化規(guī)律的揭示，研究人員證實(shí)了全柔性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（FlexRAM）可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫和擦除?？偟恼f來，F(xiàn)lexRAM是一種具有高度通用性的新一代柔性電子設(shè)備，可在嚴(yán)重變形的情況下執(zhí)行存儲(chǔ)功能。與使用其他剛性或傳統(tǒng)柔性材料的存儲(chǔ)設(shè)備不同，F(xiàn)lexRAM確保了所有組件的靈活性，防止了變形過程中的機(jī)械性能不匹配。此外，相比于以往所實(shí)現(xiàn)的柔性存儲(chǔ)設(shè)備，F(xiàn)lexRAM在數(shù)據(jù)保留時(shí)間、響應(yīng)速度、耐用性等特性方面具有顯著優(yōu)勢，而且其制造相對(duì)簡單，只需將GLM液滴和水凝膠依次生成到3D打印模具中，然后集成配合以特定的電信號(hào)控制單元，即可完成數(shù)據(jù)寫入和讀取，展示出優(yōu)異的成本效益和可集成潛力。

結(jié)語與展望

總的說來，作為電子設(shè)備和計(jì)算系統(tǒng)的核心組成部分，當(dāng)代存儲(chǔ)器仍在不斷演進(jìn)。作者實(shí)驗(yàn)室通過引入液態(tài)金屬可逆的氧化還原機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了在溶液中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫和擦除，由此構(gòu)建的存儲(chǔ)器（FlexRAM）實(shí)現(xiàn)了柔性與穩(wěn)定性的優(yōu)勢結(jié)合，從根本上改變了對(duì)傳統(tǒng)存儲(chǔ)器的常規(guī)認(rèn)識(shí)和理念，為全柔性存儲(chǔ)系統(tǒng)的研發(fā)提供了全新思路。這種液相存儲(chǔ)器具有高度通用性，可在各種顯著變形狀態(tài)下執(zhí)行存儲(chǔ)功能，具有優(yōu)異的適應(yīng)能力。此外，F(xiàn)lexRAM在數(shù)據(jù)保存時(shí)間、響應(yīng)速度、持久性等方面也表現(xiàn)卓越，可望在柔性存儲(chǔ)設(shè)備中脫穎而出。目前對(duì)原型機(jī)進(jìn)行論證，毫米級(jí)尺寸的芯片足以演示其工作原理。今后，F(xiàn)lexRAM在器件尺寸和集成度上可更為廣泛，單個(gè)液滴存儲(chǔ)元件的尺寸可從毫米到納米級(jí)。正如研究中所揭示的，液滴尺寸越小，記憶反應(yīng)越敏感，這有利于 FlexRAM 的高密度集成和可擴(kuò)展性，使完全柔性的3D存儲(chǔ)器成為各種工程開發(fā)的有希望的選擇，也使得FlexRAM 可以整合到完全液體的計(jì)算系統(tǒng)中，充當(dāng)存儲(chǔ)設(shè)備。FlexRAM的柔性和高性能將為智能手環(huán)、智能眼鏡、電子服裝等提供存儲(chǔ)解決方案，這對(duì)提升可穿戴設(shè)備的智能性和用戶體驗(yàn)十分有益。另外，在腦機(jī)接口、柔性機(jī)器人甚至是機(jī)器-生物信息交換處理方面，液態(tài)金屬存儲(chǔ)器的高存儲(chǔ)密度和快速讀寫速度，將為人工智能模型的訓(xùn)練和推理提供高效支持，繼而推動(dòng)人工智能硬件技術(shù)邁向新的高度。當(dāng)然，也應(yīng)指出，液態(tài)金屬存儲(chǔ)器在實(shí)現(xiàn)真正商業(yè)化之前仍需克服諸多問題，比如目前其響應(yīng)時(shí)間、集成度與商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還存在距離，生產(chǎn)工藝、功能材料篩選、封裝和集成乃至可靠性、壽命等也需評(píng)估完善。

總體而言，F(xiàn)lexRAM的問世是柔性存儲(chǔ)器領(lǐng)域的變革性突破，為電子設(shè)備的發(fā)展打開了新的可能和空間，其在柔性與穩(wěn)定性之間的平衡，以及在溶液中讀寫信息的方式，為存儲(chǔ)器技術(shù)的未來發(fā)展指出了新的方向。相信隨著這一技術(shù)的進(jìn)一步研究和推廣，再輔以懸空3D打印[10]等新興技術(shù)，液態(tài)金屬存儲(chǔ)器將在更多前沿領(lǐng)域發(fā)揮作用，為未來的人工智能、大數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域帶來低成本、便利快捷的解決方案。此外，液態(tài)金屬作為關(guān)鍵材料，其本身也將在如類腦計(jì)算、全液態(tài)信息存儲(chǔ)等方面，為人類更好地適應(yīng)生物與技術(shù)融合提供重要支持。

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關(guān)鍵詞：液態(tài)金屬 存儲(chǔ)器 柔性電子 仿生技術(shù) ■