徐 敏

（重慶銀行博士后科研工作站，重慶 400024）

《中國(guó)新一代人工智能發(fā)展報(bào)告2020》顯示，中國(guó)人工智能國(guó)際合作論文數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)，中美兩國(guó)處于全球人工智能科研合作網(wǎng)絡(luò)和產(chǎn)業(yè)投資網(wǎng)絡(luò)的中心，在全球人工智能合作網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮了積極作用。2019年我國(guó)人工智能領(lǐng)域論文發(fā)表數(shù)量達(dá)2.87萬(wàn)篇，比上年增長(zhǎng)12.4%，在人工智能領(lǐng)域各頂級(jí)國(guó)際會(huì)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(guó)產(chǎn)出21篇，位居全球第二。我國(guó)人工智能專利申請(qǐng)量在2019年超過了3萬(wàn)件，比上年增長(zhǎng)了52.4%?，F(xiàn)今我國(guó)人工智能的發(fā)展雖然已經(jīng)處于國(guó)際主流地位，但是仍存在部分“卡脖子”技術(shù)，軟件層面有操作系統(tǒng)、底層代碼、開發(fā)平臺(tái)等，硬件層面上芯片是關(guān)鍵。

為布局未來(lái)人工智能的基礎(chǔ)硬件研發(fā)，學(xué)界和工業(yè)界應(yīng)就人工智能未來(lái)發(fā)展中的核心元器件提前布局，記憶電阻器就是未來(lái)人工智能發(fā)展的重要核心元器件之一。1971年，美國(guó)加州大學(xué)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(guān)系的對(duì)稱性和完備性角度推導(dǎo)出除電阻、電容和電感這三大標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)時(shí)的現(xiàn)實(shí)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(jí)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(dá)到466 GB/cm2的存儲(chǔ)密度[3-4]。由于這種阻性非易失性存儲(chǔ)特性的存在，可以保留計(jì)算機(jī)關(guān)機(jī)斷電后的狀態(tài)，而存儲(chǔ)與運(yùn)算融合的特點(diǎn)則有望改變當(dāng)今計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)與處理信息的方式，從而提高機(jī)器的運(yùn)行效率[4]。基于憶阻的隨機(jī)存儲(chǔ)器的集成度、功耗、讀寫速度都要比傳統(tǒng)的隨機(jī)存儲(chǔ)器優(yōu)越，其有著許多新的應(yīng)用，例如憶阻硬件是實(shí)現(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用[6]。

本文以國(guó)內(nèi)一流的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)——萬(wàn)方數(shù)據(jù)知識(shí)服務(wù)平臺(tái)為數(shù)據(jù)源，在其高級(jí)檢索中指定文獻(xiàn)類型為“期刊論文”，語(yǔ)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(chǔ)）”，發(fā)表時(shí)間截止到2021年6月，更新時(shí)間不限。通過人工閱讀結(jié)果文獻(xiàn)的題名和摘要信息，過濾和剔除掉不相關(guān)的文獻(xiàn)，最終得到結(jié)果文獻(xiàn)共598篇。針對(duì)這些研究文獻(xiàn)，對(duì)數(shù)據(jù)的挖掘采用了詞頻統(tǒng)計(jì)、高頻詞/低頻詞區(qū)分、共現(xiàn)矩陣分析和社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析等方法，分析憶阻器領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀。

1 年代與期刊研究

通過對(duì)憶阻器的逐年發(fā)文量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)（見第49頁(yè)圖1），國(guó)內(nèi)有關(guān)于憶阻器的研究大致分為4個(gè)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(guó)內(nèi)的相關(guān)研究非常少，僅有11篇相關(guān)論文，但已經(jīng)開始關(guān)注憶阻器的落地研究，其中2008年的論文“憶阻器的應(yīng)用——電子學(xué)最新電路元件的前景評(píng)析”充分描繪了憶阻器的未來(lái)發(fā)展。2009年的論文“阻變存儲(chǔ)器及其集成技術(shù)研究進(jìn)展”系統(tǒng)地對(duì)憶阻器所屬的阻變存儲(chǔ)器領(lǐng)域進(jìn)行了研究，同年的論文“憶阻器應(yīng)用于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的前景與展望”提出了憶阻器應(yīng)用于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非常具有前瞻性。該階段為國(guó)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(guó)內(nèi)有關(guān)于憶阻器的研究論文總數(shù)達(dá)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(xué)研究中神經(jīng)元突觸的聯(lián)系。該階段為國(guó)內(nèi)憶阻器研究的成長(zhǎng)階段。

第三階段是2014年—2017年，僅4年的時(shí)間，國(guó)內(nèi)有關(guān)于憶阻器的研究論文總數(shù)就達(dá)到了242篇，2016年是該時(shí)期國(guó)內(nèi)憶阻器研究的高峰，發(fā)文量達(dá)到了70篇，研究主題也越來(lái)越多元，涉及混沌電路（如論文“基于蔡氏對(duì)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(shí)滯混沌系統(tǒng)及偽隨機(jī)序列發(fā)生器”）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（如論文“基于憶阻器的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(guó)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(guó)內(nèi)有關(guān)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(shí)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(lǐng)域研究成果之間的交叉程度也越來(lái)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(jī)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(xué)領(lǐng)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(xué)領(lǐng)域研究神經(jīng)元突觸的機(jī)制機(jī)理。該階段有關(guān)于憶阻器的真正深入研究仍在繼續(xù)，是國(guó)內(nèi)憶阻器研究的成熟階段。

由于科學(xué)研究具有很強(qiáng)的周期性，對(duì)于新興技術(shù)來(lái)說，這種周期性表現(xiàn)為迭代螺旋式上升趨勢(shì)，即從完整的生命周期來(lái)看，包含了萌芽期、成長(zhǎng)期、爆發(fā)期和成熟期，但是新興技術(shù)往往是一個(gè)量變引發(fā)質(zhì)變的過程，對(duì)于正在發(fā)展中的技術(shù)，其在生命周期中往往遵循“萌芽期→成長(zhǎng)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(shù)發(fā)展或研究日臻完善，其最終會(huì)成為普適性技術(shù)（即長(zhǎng)時(shí)間停留于成熟期）或被更新的技術(shù)所替代（即走向衰落期）。從憶阻器國(guó)內(nèi)研究的成果可以看出，該研究領(lǐng)域正在進(jìn)入成熟期，伴隨著研究的不斷突破和學(xué)科的不斷交叉，未來(lái)將會(huì)形成一個(gè)又一個(gè)的爆發(fā)期，每個(gè)爆發(fā)期的論文數(shù)量會(huì)急速上升，隨后進(jìn)入技術(shù)積淀的一個(gè)成熟期，最終也會(huì)形成一個(gè)個(gè)螺旋上升的研究過程。

通過對(duì)憶阻器的期刊論文數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，相關(guān)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(dá)到135篇，在598篇論文中占比22.58%，其中僅在《物理學(xué)報(bào)》一本刊物中的發(fā)文量就達(dá)到76篇，該刊可以認(rèn)為是憶阻器研究的絕對(duì)核心刊物（見圖2）。

圖2 文獻(xiàn)類型及發(fā)文量圖

再通過分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)文量?jī)H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(xué)報(bào)》單本發(fā)文76篇的情況，研究呈現(xiàn)出相對(duì)集中和相對(duì)分散的啞鈴狀結(jié)構(gòu)，即國(guó)內(nèi)有關(guān)于憶阻器的研究呈兩極分化的趨勢(shì)，既存在領(lǐng)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(duì)憶阻器的研究領(lǐng)域來(lái)講，核心刊物發(fā)表難度過大，其他類刊物影響力較小，學(xué)術(shù)的馬太效應(yīng)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(guān)研究領(lǐng)域發(fā)文量較多的作者，他們往往是或?qū)⒊蔀檫@個(gè)領(lǐng)域的專家；核心作者是指在相關(guān)研究領(lǐng)域發(fā)文量最多的第一作者，他們往往是或?qū)⒊蔀檫@個(gè)領(lǐng)域的主要研究人員。對(duì)發(fā)文作者數(shù)據(jù)進(jìn)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(guān)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（見表1），發(fā)現(xiàn)西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院的段書凱、王麗丹、胡小方，常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院的包伯成、武花干、徐權(quán)、陳墨，湘潭大學(xué)能源工程學(xué)院的曾以成、李志軍，中國(guó)科學(xué)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(xué)的王光義是國(guó)內(nèi)憶阻器研究領(lǐng)域的高產(chǎn)研究團(tuán)隊(duì)成員。其他如復(fù)旦大學(xué)的林殷茵、武漢科技大學(xué)的甘朝暉、中國(guó)人民解放軍空軍工程大學(xué)的馮朝文、南京師范大學(xué)的閔富紅以及中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所的張洪亮等都是該領(lǐng)域的高產(chǎn)作者。

表1 高產(chǎn)作者表 （篇）

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

表2 高產(chǎn)第一作者表 （篇）

通過對(duì)高產(chǎn)作者建立作者合作網(wǎng)絡(luò)的共現(xiàn)矩陣，共有36名作者，形成了一個(gè)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?cè)诎l(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(guān)系越緊密。通過鏈接這些緊密的關(guān)系可以分析出國(guó)內(nèi)憶阻器研究領(lǐng)域的核心團(tuán)隊(duì)，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(tuán)隊(duì)中的重要性。通過作者研究群體的知識(shí)圖譜可以發(fā)現(xiàn)有6個(gè)主要的學(xué)術(shù)團(tuán)體，即以西南大學(xué)的段書凱、湘潭大學(xué)的曾以成、常州大學(xué)的包伯成、中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所的張洪亮、中國(guó)科學(xué)院微電子研究所的劉琦、中國(guó)人民解放軍空軍工程大學(xué)的馮朝文為代表的核心研究團(tuán)隊(duì)。在分析每個(gè)作者與其他作者的聯(lián)結(jié)數(shù)量以及聯(lián)結(jié)權(quán)重，建立研究團(tuán)隊(duì)熱力圖的過程中，可以獲得不同研究團(tuán)隊(duì)的研究集中度和輻射廣度，其中西南大學(xué)的段書凱團(tuán)隊(duì)研究強(qiáng)度在憶阻器的研究集中度上最高，常州大學(xué)的包伯成團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)，這表明團(tuán)隊(duì)成員相對(duì)其他較為廣泛。

3 熱點(diǎn)主題研究

在學(xué)術(shù)成果中，關(guān)鍵詞是研究人員利用自己的背景知識(shí)、主觀經(jīng)驗(yàn)和個(gè)人理解濃縮提煉出來(lái)的可以反映研究主體內(nèi)容和關(guān)注點(diǎn)的主題詞匯。在學(xué)術(shù)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，對(duì)關(guān)鍵詞的詞頻計(jì)算是最直接和有效發(fā)現(xiàn)研究熱點(diǎn)的方法，即通過高頻關(guān)鍵詞和低頻關(guān)鍵詞的區(qū)分來(lái)分析并找出本領(lǐng)域研究人員都在關(guān)注的熱點(diǎn)。其實(shí)早在1973年，Donohue等利用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的方法分析了科學(xué)文獻(xiàn)，提出了科學(xué)文獻(xiàn)中高頻詞和低頻詞的界分公式。但是由于現(xiàn)代學(xué)術(shù)研究交叉越來(lái)越頻繁，其早期提出的計(jì)算公式已不適用于現(xiàn)在[7]。本研究利用Ochiia系數(shù)的計(jì)算構(gòu)建關(guān)鍵詞共現(xiàn)相關(guān)系數(shù)矩陣，選取與“憶阻器”“阻變存儲(chǔ)器”“憶阻”計(jì)算值大于1的熱點(diǎn)重要關(guān)鍵詞，Ochiia系數(shù)的計(jì)算公式為

式中：Boundaries是熱點(diǎn)重要關(guān)鍵詞與普通關(guān)鍵詞分界的閾值；Frequence（X∩Y）是關(guān)鍵詞X與關(guān)鍵詞Y共現(xiàn)的詞頻；Frequence（X）與Frequence（Y）則分別指關(guān)鍵詞X與關(guān)鍵詞Y出現(xiàn)的總詞頻。在本次研究中，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)與“憶阻器”“阻變存儲(chǔ)器”“憶阻”3個(gè)詞Ochiia系數(shù)大于1的關(guān)鍵詞共有80個(gè)，這些詞作為憶阻器研究領(lǐng)域的最核心熱點(diǎn)，代表了憶阻器研究成果的主要特征。高頻關(guān)鍵詞如下：混沌電路、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、突觸、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、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(dòng)力學(xué)行為、動(dòng)力學(xué)特性、分?jǐn)?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(yīng)、氧化鉿、非揮發(fā)性存儲(chǔ)器、高密度應(yīng)用、可堆疊、開關(guān)比、選通管、無(wú)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(diǎn)集、憶阻機(jī)理、無(wú)源元件、蘊(yùn)含邏輯、聯(lián)想記憶、脈沖時(shí)間依賴可塑性、吸引子共存、突觸電路、電路設(shè)計(jì)、導(dǎo)電細(xì)絲、非易失存儲(chǔ)器、阻變機(jī)制、三維集成、氧空位、低功耗、電阻轉(zhuǎn)變、多值存儲(chǔ)、氧化鉭、非易失性存儲(chǔ)器、細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、阻變機(jī)理、時(shí)滯、同步、Lyapunov指數(shù)、MULTISIM、分段線性、脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、SPICE、Memristor、邏輯門電路、憶阻神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、頻率特性、阻變、分岔、穩(wěn)定性、非易失性、乘法器、時(shí)變時(shí)滯、邏輯運(yùn)算。

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

從研究熱點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)圖（見圖3）發(fā)現(xiàn)，與憶阻器相關(guān)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(diǎn)；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(diǎn)；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(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方面的熱點(diǎn)；四是憶阻人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，主要集中在突觸、人工突觸以及突觸可塑性等方面的熱點(diǎn)；五是動(dòng)力學(xué)分析，主要集中在動(dòng)力學(xué)行為、低功耗以及穩(wěn)定性等方面的熱點(diǎn)。除了以上各部分與憶阻器相關(guān)的研究之外，另一大類主要是與阻變存儲(chǔ)器相關(guān)研究，其主要集中在憶阻材料相關(guān)研究（氧空位）、阻變的機(jī)制機(jī)理等方面的熱點(diǎn)。

圖3 熱點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過詞頻統(tǒng)計(jì)、高/低頻詞區(qū)分、共現(xiàn)矩陣和社會(huì)網(wǎng)絡(luò)等方法分析萬(wàn)方數(shù)據(jù)知識(shí)服務(wù)平臺(tái)中關(guān)于記憶電阻器的相關(guān)期刊論文，對(duì)國(guó)內(nèi)記憶電阻器研究的年代與期刊分布、作者團(tuán)隊(duì)分布和研究熱點(diǎn)發(fā)現(xiàn)等方面進(jìn)行了分析，了解國(guó)內(nèi)記憶電阻研究領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，可以為未來(lái)人工智能核心元器件布局提供借鑒。