晶体管继任者走来 忆阻器或成计算机新宠

哥伦比亚广播公司的“嫌疑犯追踪”描述了一个设计能预测恐怖袭击的机器的角色。

资料来源:哥伦比亚广播公司

普通晶体管的替代品可能会在10年后进入市场，这标志着传统计算机功能结构的彻底重新设计。忆阻器是过去六年广泛研究的主题，它将成为一系列新设备的基本组件，从“物联网”中的传感器和存储芯片，到科学家、工程师和华尔街员工用来处理海量数据的巨型计算机。

在今天和过去的50年里，计算机使用快速动态存储器来处理数据，并通过线路(输入/输出通道)将数据传输到较慢的永久磁盘存储器。忆阻器可以将动态存储器(台式计算机的随机存取存储器)和硬盘驱动器或闪存的最佳性能结合到一个设备中，从而即使在断电时也可以保存数据。

这一理论可以追溯到20世纪90年代末，当时惠普的高级研究员斯坦·威廉姆斯(Stan Williams)建立了公司的信息和量子系统实验室，以探索未来20年的计算技术。40年来，工业界一直在根据摩尔定律制造更小更便宜的晶体管。根据英特尔公司创始人戈登·摩尔1965年发布的一份观察报告，一个芯片上可以安装的晶体管数量大约每两年翻一番。

结果，威廉姆斯研究小组开始开发越来越小的晶体管，这让他们考虑当器件缩小到单个分子的尺寸时会发生什么，以及单个原子的运动会如何影响其性能。然而，在2008年之前，研究人员遇到了这种规模的无法解释的问题，当时一个研究小组阅读了35年前加州大学伯克利分校的电气工程师和计算机科学家利昂·蔡(Leon Chua)写的一篇论文。

蔡博士在论文中预测忆阻器将成为第四个电子元件，另外三个分别是电阻、电容和电感。威廉姆斯意识到，他的研究小组看到蔡美儿的预测在二氧化钛薄膜上实现了。后来，其他科学家也加入了探索。2012年，HRL实验室(一家由通用汽车和波音公司共同拥有的研究机构)宣布了忆阻器阵列的首次成功运行，即使用互补金属氧化物半导*造工艺生产电子设备。

新旧电子产品之间有一个根本的区别。晶体管开关处于开或关状态，而忆阻器，像ADI公司一样，可以处于中间状态。开发人员希望忆阻器开发得更快。2010年，惠普预测忆阻器设备将于当年进入市场。然而，惠普首席实验室建造者柯克·布雷斯尼克表示，这不太可能。在这种设备投入商业使用之前，还需要进行更多的研究。

惠普及其研发伙伴仍在寻找元素周期表中元素的确切组合，以及能保存完整数据的最佳记忆功能的具体生产过程。他们还希望将这项技术与CMOS标准芯片相结合，以便能够以合理的成本进行大规模生产。

与此同时，如何构建忆阻器的概念也在不断发展。在6月中旬的惠普发现大会上，公司首席技术官马丁·芬克(Martin Fink)概述了一个简单的架构，他简单地称之为“机器”它包括一组存储电路，并使用光纤而不是铜线连接到高效的专用处理器。

该行业的几个目标正在发生变化。忆阻器可以大大提高电子元件的能效，并且可以更好地处理数据洪流。对于这些设备的开发，一个重要因素是计算能力和存储密度的持续指数增长。在过去的40年里，这些产品的价格直线下降。出于类似的原因，IBM刚刚宣布将投资30亿美元研发实验性“后硅”结构和芯片，并预计在10年内对现有系统进行根本性变革。

这些变化将带来计算机操作系统的巨大变化，以适应不再区分动态存储和长期存储的计算机硬件。布雷斯尼克认为这一变化是一个放弃繁琐的操作系统代码的机会，以前这些代码是用来适应老式硬件的局限性的。

在惠普目前的开发计划中，忆阻器将在2015年进入最早的生产阶段，双嵌入式内存模块将在2016年开始用于计算机内存。该“机器”的操作系统将于2017年进入公开测试阶段，新架构将于2019年应用于实际产品。即使这些计划没有成功，布雷斯尼克认为这种尝试是值得的:“每个部分都很有趣。即使在传统的计算机和存储系统中，拔出铜缆和安装光纤也会更有效。我们需要取代记忆技术。”(张章)(原名“晶体管接班人大步迈进记忆电阻或成为计算机领域的新宠”)

《中国科学日报》(2014年7月29日，第三版国际版)

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