2013 年前使用忆阻器的记忆装置将上市

这个礼拜有一则大新闻，是 HP 将和 Hynix 合作，在 2013 年前让使用忆阻器（Memristor）的记忆装置上市，和闪存一较高下。这在业界被认为是一个重要的里程碑，但是忆阻器究竟是什么？它有什么神奇的特 性，让它这么受重视？在这篇里小姜试着用最简单的方式，介绍忆阻器这有趣的「新」电子零件给大家，并且探讨为什么它可能是晶体管以来，最重要的电子进展。

什么是忆阻器？

忆阻器的英文 Memristor 来自「Memory（记忆）」和「Resistor（电阻）」两个字的合并，从这两个字可以大致推敲出它的功用来。最早提出忆阻器概念的人，是华裔的科学家蔡少棠，当时任教于美国的柏克莱大学。时间是 1971 年，在研究电荷、电流、电压和磁通量之间的关系时，蔡教授推断在电阻、电容和电感器之外，应该还有一种组件，代表着电荷与磁通量之间的关系。这种组件的效果，就是它的电阻会随着通过的电流量而改变，而且就算电流停止了，它的电阻仍然会停留在之前的值，直到接受到反向的电流它才会被推回去。用常见的水管来比喻，电流是通过的水量，而电阻是水管的粗细时，当水从一个方向流过去，水管会随着水流量而越来越粗，这时如果把水流关掉的话，水管的粗细会维持不变；反之当水从相反方向流动时，水管就会越来越细。因为这样的组件会「记住」之前的电流量，因此被称为忆阻器。

　  忆阻器有什么用？

忆阻器的理论模型，忆阻器的位置在右下角

　 在发现的当时...没有。蔡教授之所以提出忆阻器，只是因为在数学模型上它应该是存在的。为了证明可行性，他用一堆电阻、电容、电感和放大器做出了一个模拟忆阻器效果的电路，但当时并没有找到什么材料本身就有明显的忆阻器的效果，而且更重要的，也没有人在找 -- 那是个连集成电路都还刚起步不久的阶段，离家用电脑开始普及都还有至少 15 年的时间呢！

HP 的 Crossbar Latch

Crossbar Latch 的试作品结果

 
　  于是这时候 HP 就登场了。事实上 HP 也没有在找忆阻器，当时是一个由 HP 的 Phillip J Kuekes 领军的团队，正在进行的一种称为 Crossbar Latch 的技术的研究。Crossbar Latch 的原理是由一排横向和一排纵向的电线组成的网格，在每一个交叉点上，要放一个「开关」连结一条横向和纵向的电线。如果能让这两条电线控制这个开关的状态的话，那网格上的每一个交叉点都能储存一个位的数据。这种系统下数据密度和存取速度都是前所未闻的，问题是，什么样的材料能当这个开关？这种材料必需要能有「开」、「关」两个状态，这两个状态必需要能操纵，更重要的，还有能在不改变状态的前提下，发挥其开关的效果，允许或阻止电流的通过。如何取得这样的材料考倒了 HP 的工程师，因此他们空有 Crossbar Latch 这么棒的想法，却无法实现。谁知道，他们在找的东西，正是忆阻器？

意外的二氧化硅

　  突破来自于另一处。另一个由 Stanley Williams 领军的 HP 团队在研究二氧化硅的时候，意外地发现了二氧化硅在某些情况的电子特性怪怪的。本来怪怪的也就怪怪的，记录下来就算了，但他的同僚 Greg Snider 却提醒了他这或许就是忆阻器，而且或许正是 Crossbar Latch 在寻找的东西。

二氧化硅当作忆阻器用时是这样的 -- 一块极薄的二氧化钛被夹在两个电极（上图是铂）中间，这块钛又被分成两个部份，一半是正常的二氧化钛，另一半稍微「缺氧」，少了几个氧原子。缺氧的那一半带正电，因此电流通过时电阻比较小，而且当电流从缺氧的一边通向正常的一边时，在电场的影响之下缺氧的「洞」会逐渐往正常的一侧游移，使得以整块材料来言，缺气的部份会占比较高的比重，整体的电阻也就会降低。反正，当电流从正常的一侧流向缺氧的一侧时，电场会把缺氧的洞从回推，电阻就会跟着增加。

二氧化硅有这样的子的特性 HP 不是第一个发现的，但是却因为 Crossbar Latch 研究的关系，是第一个了解到它其实就是忆阻器，以及它在电脑应用上的重要性的厂商。在实际应用时，对两根电线施加单向的电压就可以控制开关的状态，而读取时则是用交流电来读取电阻值，就可以知道目前该开关的状态。

忆阻器的未来

　  HP 关于忆阻器的发现在 2008 年时发表于「自然」期刊，2009 年证明了 Cross Latch 的系统很容易就能堆栈，形成立体的内存。目前的技术每个电线间的「开关」大约是 3nm x 3nm 大，开关切换的时间约在 1ns 左右，整体的运作速度约是 DRAM 的 1/10 -- 还不足以取代 DRAM，但是靠着 1 cm2 100 gigabit， 1cm3 1 petabit（别忘了它是可以堆栈的）的惊人潜在容量，干掉闪存是绰绰有余的。

　  但是 Crossbar Latch 可不止用来储存数据而已。它的网格状设计，和每个交叉点间都有开关，意味着整组网格在某些程度上是可以逻辑化的。在原始的 Crossbar Latch 论文中就已经提到了如何用网格来模拟 AND、OR 和 NOT 三大逻辑闸，几个网格的组合甚至可以做出加法之类的运算。这为摆脱晶体管进到下一个世代开了一扇窗，很多人认为忆阻器电脑相对于晶体管的跃进，和晶体管相对于真空管的跃进是一样大的。另一方面，也有人在讨论电路自已实时调整自已的状态来符合运算需求的可能性。这点，再搭配上忆阻器的记忆能力，代表着运算电路和记忆电路将可同时共存，而且随需要调整。这已经完全超出了这一代电脑的设计逻辑，可以朝这条路发展下去的话，或许代表着新一代的智慧机器人的诞生。

　  不过这些都是未来的事了。HP 的目标订的还算含蓄，只答应在 2013 年时，生产出与当世代的 Flash 同等价格，但两倍容量的忆阻器记忆装置。对大部份人来说，这个转变会是相当低调的 -- 就像芯片制程已经一步步地降到了 24nm，但是对一般人来说，CPU 或是内存、随身碟一直都长那个样子，没有在变。只是在里面，忆阻器和 Crossbar Latch 的组合代表的是电脑科技的全新进展，或许能让我们再一次延续摩尔定律的生命，朝向被机器人统治的未来前进。