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癮科學:憶阻器

Andy Yang
2010 年 9 月 3 日, 中午 12:00
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這個禮拜有一則大新聞,是 HP 將和 Hynix 合作,在 2013 年前讓使用憶阻器(Memristor)的記憶裝置上市,和快閃記憶體一較高下。這在業界被認為是一個重要的里程碑,但是憶阻器究竟是什麼?它有什麼神奇的特性,讓它這麼受重視?在這篇裡小薑試著用最簡單的方式,介紹憶阻器這有趣的「新」電子零件給大家,並且探討為什麼它可能是電晶體以來,最重要的電子進展。

什麼是憶阻器?

憶阻器的英文 Memristor 來自「Memory(記憶)」和「Resistor(電阻)」兩個字的合併,從這兩個字可以大致推敲出它的功用來。最早提出憶阻器概念的人,是華裔的科學家蔡少棠,當時任教於美國的柏克萊大學。時間是 1971 年,在研究電荷、電流、電壓和磁通量之間的關系時,蔡教授推斷在電阻、電容和電感器之外,應該還有一種元件,代表著電荷與磁通量之間的關系。這種元件的效果,就是它的電阻會隨著通過的電流量而改變,而且就算電流停止了,它的電阻仍然會停留在之前的值,直到接受到反向的電流它才會被推回去。用常見的水管來比喻,電流是通過的水量,而電阻是水管的粗細時,當水從一個方向流過去,水管會隨著水流量而愈來愈粗,這時如果把水流關掉的話,水管的粗細會維持不變;反之當水從相反方向流動時,水管就會愈來愈細。因為這樣的元件會「記住」之前的電流量,因此被稱為憶阻器。

憶阻器有什麼用?


憶阻器的理論模型,憶阻器的位置在右下角

在發現的當時...沒有。蔡教授之所以提出憶阻器,只是因為在數學模型上它應該是存在的。為了證明可行性,他用一堆電阻、電容、電感和放大器做出了一個模擬憶阻器效果的電路,但當時並沒有找到什麼材料本身就有明顯的憶阻器的效果,而且更重要的,也沒有人在找 -- 那是個連積體電路都還剛起步不久的階段,離家用電腦開始普及都還有至少 15 年的時間呢!

HP 的 Crossbar Latch


Crossbar Latch 的試作品結果

於是這時候 HP 就登場了。事實上 HP 也沒有在找憶阻器,當時是一個由 HP 的 Phillip J Kuekes 領軍的團隊,正在進行的一種稱為 Crossbar Latch 的技術的研究。Crossbar Latch 的原理是由一排橫向和一排縱向的電線組成的網格,在每一個交叉點上,要放一個「開關」連結一條橫向和縱向的電線。如果能讓這兩條電線控制這個開關的狀態的話,那網格上的每一個交叉點都能儲存一個位元的資料。這種系統下資料密度和存取速度都是前所未聞的,問題是,什麼樣的材料能當這個開關?這種材料必需要能有「開」、「關」兩個狀態,這兩個狀態必需要能操縱,更重要的,還有能在不改變狀態的前提下,發揮其開關的效果,允許或阻止電流的通過。如何取得這樣的材料考倒了 HP 的工程師,因此他們空有 Crossbar Latch 這麼棒的想法,卻無法實現。誰知道,他們在找的東西,正是憶阻器?

意外的二氧化矽

突破來自於另一處。另一個由 Stanley Williams 領軍的 HP 團隊在研究二氧化矽的時候,意外地發現了二氧化矽在某些情況的電子特性怪怪的。本來怪怪的也就怪怪的,記錄下來就算了,但他的同僚 Greg Snider 卻提醒了他這或許就是憶阻器,而且或許正是 Crossbar Latch 在尋找的東西。
二氧化鈦當作憶阻器用時是這樣的 -- 一塊極薄的二氧化鈦被夾在兩個電極(上圖是鉑)中間,這塊鈦又被分成兩個部份,一半是正常的二氧化鈦,另一半稍微「缺氧」,少了幾個氧原子。缺氧的那一半帶正電,因此電流通過時電阻比較小,而且當電流從缺氧的一邊通向正常的一邊時,在電場的影響之下缺氧的「洞」會逐漸往正常的一側游移,使得以整塊材料來言,缺氣的部份會佔比較高的比重,整體的電阻也就會降低。反正,當電流從正常的一側流向缺氧的一側時,電場會把缺氧的洞從回推,電阻就會跟著增加。

二氧化鈦有這樣的子的特性 HP 不是第一個發現的,但是卻因為 Crossbar Latch 研究的關系,是第一個了解到它其實就是憶阻器,以及它在電腦應用上的重要性的廠商。在實際應用時,對兩根電線施加單向的電壓就可以控制開關的狀態,而讀取時則是用交流電來讀取電阻值,就可以知道目前該開關的狀態。

憶阻器的未來

HP 關於憶阻器的發現在 2008 年時發表於「自然」期刊,2009 年證明了 Cross Latch 的系統很容易就能堆疊,形成立體的記憶體。目前的技術每個電線間的「開關」大約是 3nm x 3nm 大,開關切換的時間約在 1ns 左右,整體的運作速度約是 DRAM 的 1/10 -- 還不足以取代 DRAM,但是靠著 1 cm² 100 gigabit, 1cm³ 1 petabit(別忘了它是可以堆疊的)的驚人潛在容量,幹掉快閃記憶體是綽綽有餘的。

但是 Crossbar Latch 可不止用來儲存資料而已。它的網格狀設計,和每個交叉點間都有開關,意味著整組網格在某些程度上是可以邏輯化的。在原始的 Crossbar Latch 論文中就已經提到了如何用網格來模擬 AND、OR 和 NOT 三大邏輯閘,幾個網格的組合甚至可以做出加法之類的運算。這為擺脫電晶體進到下一個世代開了一扇窗,很多人認為憶阻器電腦相對於電晶體的躍進,和電晶體相對於真空管的躍進是一樣大的。另一方面,也有人在討論電路自已即時調整自已的狀態來符合運算需求的可能性。這點,再搭配上憶阻器的記憶能力,代表著運算電路和記憶電路將可同時共存,而且隨需要調整。這已經完全超出了這一代電腦的設計邏輯,可以朝這條路發展下去的話,或許代表著新一代的智慧機器人的誕生。

不過這些都是未來的事了。HP 的目標訂的還算含蓄,只答應在 2013 年時,生產出與當世代的 Flash 同等價格,但兩倍容量的憶阻器記憶裝置。對大部份人來說,這個轉變會是相當低調的 -- 就像晶片製程已經一步步地降到了 24nm,但是對一般人來說,CPU 或是記憶體、隨身碟一直都長那個樣子,沒有在變。只是在裡面,憶阻器和 Crossbar Latch 的組合代表的是電腦科技的全新進展,或許能讓我們再一次延續摩爾定律的生命,朝向被機器人統治的未來前進。

參考連結:
Wikipedia - Memristor
Wikipedia - Crossbar Latch
IEEE Spectrum: The Mysterious Memristor
Stanley Williams 的演講影片 (47:52,英文)