2013 年前使用憶阻器的記憶裝置將上市

　　這個(gè)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，和閃存一較高下。這在業(yè)界被認(rèn)為是一個(gè)重要的里程碑，但是憶阻器究竟是什么?它有什么神奇的特 性，讓它這么受重視?在這篇里小姜試著用最簡(jiǎn)單的方式，介紹憶阻器這有趣的「新」電子零件給大家，并且探討為什么它可能是晶體管以來(lái)，最重要的電子進(jìn)展。

　　什么是憶阻器?

　　憶阻器的英文 Memristor 來(lái)自「Memory(記憶)」和「Resistor(電阻)」兩個(gè)字的合并，從這兩個(gè)字可以大致推敲出它的功用來(lái)。最早提出憶阻器概念的人，是華裔的科學(xué)家蔡少棠，當(dāng)時(shí)任教于美國(guó)的柏克萊大學(xué)。時(shí)間是 1971 年，在研究電荷、電流、電壓和磁通量之間的關(guān)系時(shí)，蔡教授推斷在電阻、電容和電感器之外，應(yīng)該還有一種組件，代表著電荷與磁通量之間的關(guān)系。這種組件的效果，就是它的電阻會(huì)隨著通過(guò)的電流量而改變，而且就算電流停止了，它的電阻仍然會(huì)停留在之前的值，直到接受到反向的電流它才會(huì)被推回去。用常見(jiàn)的水管來(lái)比喻，電流是通過(guò)的水量，而電阻是水管的粗細(xì)時(shí)，當(dāng)水從一個(gè)方向流過(guò)去，水管會(huì)隨著水流量而越來(lái)越粗，這時(shí)如果把水流關(guān)掉的話(huà)，水管的粗細(xì)會(huì)維持不變;反之當(dāng)水從相反方向流動(dòng)時(shí)，水管就會(huì)越來(lái)越細(xì)。因?yàn)檫@樣的組件會(huì)「記住」之前的電流量，因此被稱(chēng)為憶阻器。

　　憶阻器有什么用?

　　在發(fā)現(xiàn)的當(dāng)時(shí)...沒(méi)有。蔡教授之所以提出憶阻器，只是因?yàn)樵跀?shù)學(xué)模型上它應(yīng)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(gè)模擬憶阻器效果的電路，但當(dāng)時(shí)并沒(méi)有找到什么材料本身就有明顯的憶阻器的效果，而且更重要的，也沒(méi)有人在找 -- 那是個(gè)連集成電路都還剛起步不久的階段，離家用電腦開(kāi)始普及都還有至少 15 年的時(shí)間呢!

　　HP 的 Crossbar Latch

　　于是這時(shí)候 HP 就登場(chǎng)了。事實(shí)上 HP 也沒(méi)有在找憶阻器，當(dāng)時(shí)是一個(gè)由 HP 的 Phillip J Kuekes 領(lǐng)軍的團(tuán)隊(duì)，正在進(jìn)行的一種稱(chēng)為 Crossbar Latch 的技術(shù)的研究。Crossbar Latch 的原理是由一排橫向和一排縱向的電線(xiàn)組成的網(wǎng)格，在每一個(gè)交叉點(diǎn)上，要放一個(gè)「開(kāi)關(guān)」連結(jié)一條橫向和縱向的電線(xiàn)。如果能讓這兩條電線(xiàn)控制這個(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)的話(huà)，那網(wǎng)格上的每一個(gè)交叉點(diǎn)都能儲(chǔ)存一個(gè)位的數(shù)據(jù)。這種系統(tǒng)下數(shù)據(jù)密度和存取速度都是前所未聞的，問(wèn)題是，什么樣的材料能當(dāng)這個(gè)開(kāi)關(guān)?這種材料必需要能有「開(kāi)」、「關(guān)」兩個(gè)狀態(tài)，這兩個(gè)狀態(tài)必需要能操縱，更重要的，還有能在不改變狀態(tài)的前提下，發(fā)揮其開(kāi)關(guān)的效果，允許或阻止電流的通過(guò)。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 這么棒的想法，卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)。誰(shuí)知道，他們?cè)谡业臇|西，正是憶阻器?

　　意外的二氧化硅

　　突破來(lái)自于另一處。另一個(gè)由 Stanley Williams 領(lǐng)軍的 HP 團(tuán)隊(duì)在研究二氧化硅的時(shí)候，意外地發(fā)現(xiàn)了二氧化硅在某些情況的電子特性怪怪的。本來(lái)怪怪的也就怪怪的，記錄下來(lái)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。

　　二氧化硅當(dāng)作憶阻器用時(shí)是這樣的 -- 一塊極薄的二氧化鈦被夾在兩個(gè)電極(上圖是鉑)中間，這塊鈦又被分成兩個(gè)部份，一半是正常的二氧化鈦，另一半稍微「缺氧」，少了幾個(gè)氧原子。缺氧的那一半帶正電，因此電流通過(guò)時(shí)電阻比較小，而且當(dāng)電流從缺氧的一邊通向正常的一邊時(shí)，在電場(chǎng)的影響之下缺氧的「洞」會(huì)逐漸往正常的一側(cè)游移，使得以整塊材料來(lái)言，缺氣的部份會(huì)占比較高的比重，整體的電阻也就會(huì)降低。反正，當(dāng)電流從正常的一側(cè)流向缺氧的一側(cè)時(shí)，電場(chǎng)會(huì)把缺氧的洞從回推，電阻就會(huì)跟著增加。

　　二氧化硅有這樣的子的特性 HP 不是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)的，但是卻因?yàn)?Crossbar Latch 研究的關(guān)系，是第一個(gè)了解到它其實(shí)就是憶阻器，以及它在電腦應(yīng)用上的重要性的廠商。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，對(duì)兩根電線(xiàn)施加單向的電壓就可以控制開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，而讀取時(shí)則是用交流電來(lái)讀取電阻值，就可以知道目前該開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。

　　憶阻器的未來(lái)

　　HP 關(guān)于憶阻器的發(fā)現(xiàn)在 2008 年時(shí)發(fā)表于「自然」期刊，2009 年證明了 Cross Latch 的系統(tǒng)很容易就能堆棧，形成立體的內(nèi)存。目前的技術(shù)每個(gè)電線(xiàn)間的「開(kāi)關(guān)」大約是 3nm x 3nm 大，開(kāi)關(guān)切換的時(shí)間約在 1ns 左右，整體的運(yùn)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(別忘了它是可以堆棧的)的驚人潛在容量，干掉閃存是綽綽有余的。

　　但是 Crossbar Latch 可不止用來(lái)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)而已。它的網(wǎng)格狀設(shè)計(jì)，和每個(gè)交叉點(diǎn)間都有開(kāi)關(guān)，意味著整組網(wǎng)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(jīng)提到了如何用網(wǎng)格來(lái)模擬 AND、OR 和 NOT 三大邏輯閘，幾個(gè)網(wǎng)格的組合甚至可以做出加法之類(lèi)的運(yùn)算。這為擺脫晶體管進(jìn)到下一個(gè)世代開(kāi)了一扇窗，很多人認(rèn)為憶阻器電腦相對(duì)于晶體管的躍進(jìn)，和晶體管相對(duì)于真空管的躍進(jìn)是一樣大的。另一方面，也有人在討論電路自已實(shí)時(shí)調(diào)整自已的狀態(tài)來(lái)符合運(yùn)算需求的可能性。這點(diǎn)，再搭配上憶阻器的記憶能力，代表著運(yùn)算電路和記憶電路將可同時(shí)共存，而且隨需要調(diào)整。這已經(jīng)完全超出了這一代電腦的設(shè)計(jì)邏輯，可以朝這條路發(fā)展下去的話(huà)，或許代表著新一代的智慧機(jī)器人的誕生。

　　不過(guò)這些都是未來(lái)的事了。HP 的目標(biāo)訂的還算含蓄，只答應(yīng)在 2013 年時(shí)，生產(chǎn)出與當(dāng)世代的 Flash 同等價(jià)格，但兩倍容量的憶阻器記憶裝置。對(duì)大部份人來(lái)說(shuō)，這個(gè)轉(zhuǎn)變會(huì)是相當(dāng)?shù)驼{(diào)的 -- 就像芯片制程已經(jīng)一步步地降到了 24nm，但是對(duì)一般人來(lái)說(shuō)，CPU 或是內(nèi)存、隨身碟一直都長(zhǎng)那個(gè)樣子，沒(méi)有在變。只是在里面，憶阻器和 Crossbar Latch 的組合代表的是電腦科技的全新進(jìn)展，或許能讓我們?cè)僖淮窝永m(xù)摩爾定律的生命，朝向被機(jī)器人統(tǒng)治的未來(lái)前進(jìn)。