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随着晶体管趋向于亚微米级,一系列的问题开始出现,包括制作工艺的困难和器件性能的限制如电子的运行难以控制等,基于晶体管的传统存储技术遇到了发展瓶颈,预计快闪存储器将会在十年内达到体积缩小的极限。因此,迫切需要研制综合性能更优的新型存储器以满足信息化发展对初、中级存储设备不断增长的高密度、低功耗和高速度的要求。忆阻器是一种纳米级的具有自动记忆功能的新型非线性两端电路元件,在非易失性存储器、大规模集成电路、人工神经网络和人工智能等方面有着巨大的应用潜能,它的出现有望改善整个电子电路的理论和应用。忆阻器具有纳米级尺寸,存储能力,动态连续可变电阻,快速转换(<10ns),低功耗(～1PJ/操作),高耐久性(1010次),可测量性,可堆叠性,以及与CMOS工艺相兼容等优势,为半导体存储技术的发展带来新的希望。基于忆阻器的存储器有望成为最具潜力的新一代非易失性存储技术之一。本文深入研究了忆阻器的理论基础和工作机理,推导了几种忆阻器数学模型,通过数值分析和实验仿真,验证了忆阻器的基本特性。在此基础上,利用忆阻器的开关特性和多级阻值特性,结合交叉阵列结构,设计了忆阻器交叉阵列,探讨了其在二值、灰度及彩色图像处理中的应用。考虑到与现有数字计算机的结合,同时基于纳米忆阻器与CMOS电路的可兼容性,提出了新型的二值和多值忆阻器阻变存储器(MRRAM)的设计方案,其结构类似于静态随机存取存储器(SRAM),但却具有非易失性和更高的存储密度、存储容量。仿真结果证明,MRRAM可以成功实现二值数据和多值信息的存储和输出。最后,基于忆阻器的模拟存储能力,设计了忆阻器模拟存储器,并构建了一种带有忆阻器模拟存储器的录放音系统,探讨其在模拟音频信号存储中的应用,计算机实验仿真系统地实现了模拟音频信号从输入到存储再到恢复的过程。本文的研究成果将为研制新一代非易失性存储器提供重要的理论支撑和实验依据,可望用于未来仿生智能设备中,包括具有类似人脑信息处理能力的新型计算机系统。