1971年,美籍华人科学家Leon O.Chua教授根据电路理论的完备性确定了电荷和磁通量之间的关系,由此定义了忆阻器,并称之为除电阻、电容和电感之外的第四种基本电路元件。2008年,HP实验室用夹在两个铂（Pt）电极间的二氧化钛薄膜结构,从物理上实现了忆阻器:一层二氧化钛(TiO_2-x)中因为缺失部分氧原子而具有较强的导电性,另一层纯净的二氧化钛具有非常高的阻抗性。在外加偏置电压的条件下,两层二氧化钛之间的分界面发生移动,引起氧空位分布状态的变化,进而改变忆阻器的忆阻值。一旦断开外加电压,两层二氧化钛之间的分界面位置停留在断电前一瞬间,忆阻器的忆阻值能够保持不变,直至下一次外加偏置电压,这种特性被称为忆阻器的记忆能力。HP实验室宣布忆阻器的物理实现后,引起了全世界范围内研究人员的广泛而强烈的关注。国内外相关研究机构已达百余个,包括HP实验室,SK Hynix和HRL实验室,美国加州大学伯克利分校,密歇根大学,英国帝国理工大学和华中科技大学等。大量的国内外研究人员研究了忆阻器的特性及数学模型、SPICE宏模型,分析了纳米忆阻器与CMOS电路的可集成性以及不同类型忆阻器的物理实现,如:HP二氧化钛薄膜忆阻器,自旋忆阻器,凝胶忆阻器和有机忆阻器等。进一步,研究者也探讨了忆阻器在非易失性存储器、混沌、宽带电磁辐射调制,超大增益放大器等领域的应用。机器学习、大数据分析及云计算等软件工程领域的最新进展,加速了先进智能系统（AIS）的出现,构建一个能够像大脑一样学习和处理信息的人工智能系统已经引起了研究人员的极大兴趣。然而,目前的计算系统在处理非结构化数据（如语音、图像和生理信号等）方面存在相当大的挑战,由于冯·诺依曼瓶颈导致的延迟和功耗问题将影响整个系统的性能。本文针对近些年出现的智能器件-忆阻器,研究一些具有代表性的忆阻器件的物理结构和工作原理,并通过仿真实验详细分析器件所呈现的特性,根据不同忆阻器件的独特性质,发掘它们的潜在应用。第1章主要围绕HP忆阻器介绍了它的出现,结构和工作原理,并通过仿真实验详细分析了HP忆阻器的特性。接着介绍了后来出现的一些具有代表性的忆阻器模型并分析其特性。最后,基于对忆阻器件的详细分析,提出将忆阻器件与智能系统结合,有望解决基于现有硬件架构的智能系统的诸多弊端。第2章主要介绍基于忆阻系统交叉阵列的径向基（RBF）神经网络。自旋忆阻器作为控制系统的潜在构件得到了广泛应用。尤其是,它可以被安装在一个高密度的网格中,这样的网格被称为交叉阵列。同时,针对大型不确定系统,采用径向基函数（RBF）神经网络控制算法可以有效地提高系统的控制效果和性能。但是如何选择合理的参数,以节省RBF神经网络的收敛时间,减小初始步长幅值,变得非常重要并且十分困难。因此,我们针对RBF神经网络和自旋忆阻器的特点,提出了一种基于自旋忆阻器交叉阵列的RBF神经网络控制算法。首先,我们详细介绍了自旋忆阻器的物理结构、工作原理及其特性。然后,分析了该算法理论推导过程和核心设计思想。最后,采用双连杆机械臂作为控制对象,进行系统仿真,对算法的有效性和可行性进行了验证。仿真结果表明,该算法能够满足控制对象对系统的要求。第3章主要介绍基于忆阻系统和蕴含逻辑的随机计算实现方案。传统的纳米尺度CMOS硬件技术由于集成密度过高,导致电压和电流过低,会显著影响电子电路的性能,降低其可靠性。同时,随机计算作为传统二进制计算的一种替代方法,具有容错能力强、硬件成本低等关键优势。但是,由于随机计算采用的是按位计算的的串行计算方式,对硬件系统的响应时间要求非常高,而现有的CMOS器件很难达到要求。为此,鉴于忆阻器的低功耗、集成度高、响应时间短及与CMOS技术兼容等优点,我们提出了一种基于忆阻系统的随机计算实现方案,并建立了相应的硬件结构实现方案。我们首先构造了一个基于忆阻系统的蕴含逻辑单元,通过仿真验证了其逻辑关系的正确性。其次,在蕴含逻辑单元电路的基础上,我们设计了用于随机计算的逻辑电路:反相器、与门和数据选择器单元电路,同样借由仿真验证了这些逻辑关系的正确性。再次,将以上逻辑单元组合构成基于忆阻器件交叉阵列和蕴含逻辑的随机计算系统,并通过实例验证了该系统的有效性。最后,将该系统应用于边缘提取,通过与传统方法仿真结果的比对,基于忆阻系统随机计算算法在边缘提取方面具有明显的优势。该实现方案在保持了传统随机计算优点的同时,较之传统的随机计算算法,该方案在功耗和硬件规模方面具有更大的优势。第4章主要介绍基于忆阻系统的模糊逻辑及隶属函数实现方案。随着被控对象日趋复杂,对自动控制技术提出了更高要求。人们在模糊数学理论基础上提出了一种崭新的智能控制方法--模糊控制,用于解决难于用精确数学模型描述的、复杂的非线性控制对象。目前,模糊控制算法的硬件实现方法大多只能采用数字硬件设备（如FPGA、DSP等）来实现,由于这些数字设备的运算精度是有限的,这种数字实现方法与模糊控制概念本质相悖。因此,我们结合忆阻器的自动连续记忆的独特优势,提出了基于忆阻系统的模糊逻辑及隶属函数的实现方案。我们首先在建立自旋忆阻器Simulink模型和基本特性数值分析的基础上,利用忆阻器件纳米级尺寸和非易失性的物理特性,构建了基于自旋忆阻器的交叉阵列,并用于实现模糊控制系统中的隶属函数,通过与MATLAB模糊工具箱的对比,验证该方案的有效性和正确性。最后,我们将提出的自旋忆阻器交叉阵列应用于经典的模糊控制系统--冷热水阀控制系统中,通过一系列流量、温度对比,误差分析和数值仿真验证了所提出系统的有效性。第5章根据以上内容分析,对忆阻器与智能系统结合的实现方案进行分析,总结其显著优势和存在的不足,并提出后续的研究方向。