2013 年前使用憶阻器的記憶裝置將上市

　　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，和閃存一較高下。這在業(yè)界被認為是一個重要的里程碑，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，最重要的電子進展。

　　什么是憶阻器?

　　憶阻器的英文 Memristor 來自「Memory(記憶)」和「Resistor(電阻)」兩個字的合并，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，當時任教于美國的柏克萊大學。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，應該還有一種組件，代表著電荷與磁通量之間的關系。這種組件的效果，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越來越粗，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，水管就會越來越細。因為這樣的組件會「記住」之前的電流量，因此被稱為憶阻器。

　　憶阻器有什么用?

　　在發(fā)現(xiàn)的當時...沒有。蔡教授之所以提出憶阻器，只是因為在數(shù)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，但當時并沒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，也沒有人在找 -- 那是個連集成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

　　于是這時候 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(tài)的話，那網格上的每一個交叉點都能儲存一個位的數(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，問題是，什么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(tài)，這兩個狀態(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 這么棒的想法，卻無法實現(xiàn)。誰知道，他們在找的東西，正是憶阻器?

　　意外的二氧化硅

　　突破來自于另一處。另一個由 Stanley Williams 領軍的 HP 團隊在研究二氧化硅的時候，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。

　　二氧化硅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，缺氣的部份會占比較高的比重，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。

　　二氧化硅有這樣的子的特性 HP 不是第一個發(fā)現(xiàn)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(tài)，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(tài)。

　　憶阻器的未來

　　HP 關于憶阻器的發(fā)現(xiàn)在 2008 年時發(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，形成立體的內存。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 可不止用來儲存數(shù)據(jù)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。這為擺脫晶體管進到下一個世代開了一扇窗，很多人認為憶阻器電腦相對于晶體管的躍進，和晶體管相對于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實時調整自已的狀態(tài)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(fā)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?shù)驼{的 -- 就像芯片制程已經一步步地降到了 24nm，但是對一般人來說，CPU 或是內存、隨身碟一直都長那個樣子，沒有在變。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展，或許能讓我們再一次延續(xù)摩爾定律的生命，朝向被機器人統(tǒng)治的未來前進。