電路學大發現 ─ 傳說中的「憶阻器」現形

惠普實驗室HP Labs)的資深院士 R. Stanley Williams 不久前成功地證實了有關「憶阻器(memristor)」的學說 ─ 所謂的憶阻器是指電子電路中除了電阻、電容與電感之外的第四種被動元素,早在 1971 年就由美國加州柏克萊大學教授 Leon Chua 所提出,不過當時僅是初步發現,直到日前才由 HP 正式發表。而此一成果也意味著相關教科書必須重新改寫。

憶阻器符號
Memristor Symbol

憶阻器概念的創始人 Chua 表示:「我的處境跟 1869 年發明化學元素週期表的俄羅斯化學家 Dmitri Mendeleev 很類似;Mendeleev 當時假設該週期表上有許多失落的元素,而現在所有的化學元素都已經被發現了。同樣的,來自 HP LabsStanley Williams 發現失落的電路元素 ─ 憶阻器。」

Chua 當時是以數學推論電子電路在電阻、電容與電感之外還有第四種元素;他將之命名為憶阻器的緣故,是因為該元素會透過電阻的改變「記憶」電流的變化。而現在 HP 則宣稱發現了首個憶阻器的實例 ─ 它是由一片雙層的二氧化鈦(bi-level titanium dioxide)薄膜所形成,當電流通過時,其電阻值就會改變。

「此一新發現的電路元素可解決今日電路學上的許多問題,因為當其尺寸縮小,其性能也會提升。」Chua 表示:「憶阻器可實現非常小的奈米等級元件,且不會產生現今將電晶體尺寸縮小的過熱問題。」

HP 已在其超高密度縱橫式交換器(crossbar switches)中測試過以上元素,該交換器使用奈米線(nanowires)達到在單晶片中儲存 100Gbits 容量資料的記錄;而目前最高密度的快閃記憶體晶片則可儲存 16Gbits 的資料。

「我們花了多年時間尋找應用在超高密度奈米線縱橫式交換器中的最佳材料,以實現在一平方公分的面積內容納 1,000 億個縱橫閂(crossbars)的目標。後來我們發現,最理想的材料就是憶阻器。」Williams 表示。

Memristor

Atomic force microscope images of 17 HP Labs non-linear devices in a row, each a pair of oxide layers between the single bottom wire and one of the top wires. “The devices act as ‘memory resistors’ [memristors], with the resistance of each device depending on the amount of charge that has moved through each one,” Stanley Williams director of HP’s quantum systems lab, told Electronics Weekly. The wires are 50nm – about 150 atoms – wide.

Williams 除了是憶阻器以二氧化鈦為基礎的材料的主要發明人之外,亦是 HP 成立了 12 年的資訊與量子系統實驗室Information and Quantum Systems Lab)的創始主管;他所率領的研究團隊並將該材料的配方最佳化。

Chua 則表示,在過去的 37 年來,憶阻器所遇到的障礙是電子電路學說中一個普遍的錯誤想法 ─ 即被動電路中,有關電壓與電荷之間的基礎關係。研究人員認為,電壓與電荷間的基礎關係,應是在電壓的變化值,或稱電通量(flux),與電荷之間;而這也是讓 HP 能研發出電阻器的關鍵原因。

「電子理論學者在這些年來都使用了錯誤的變量比對 ─ 即電壓與電荷;事實上,電子理論所遺漏的一個部份,是有關電通量與電荷之間的變量比對。」Chua 表示,以上的錯誤觀念與亞里斯多德運動定律(Aristotle’s Law of Motion)的謬誤十分類似,該定律認為力與速度(velocity velocity)應該是成正比的,但兩千年之後牛頓(Newton)指出其錯誤,表示亞里斯多德用了不正確的變量,力應該是與加速度(acceleration)成正比;加速度是速度的變化值。

Chua 指出,以上的例子與今日電子電路學中的錯誤觀念如出一轍,但所有的教科書給的資訊都使用了錯誤的變量,即電壓與電荷;事實上,電壓與電荷間的基礎關係,應該是在電通量與電荷之間才正確。

HP 曾在多年前邀請 Chua 前往發表其學說,不過當時並未透露他們正在積極尋找憶阻器;直到最近,Williams 才告訴 Chua,他已經使用了正確的變量,也就是電通量與電荷,發明了世界上第一個可以運作的憶阻器。

憶阻器的運作模式類似一個帶著記憶體的非線性電阻(non-linear resistor),可做為一種尺寸小巧且高能源效率的記憶元件。不過 Chua 與 Williams 表示,憶阻器是一種新型態的電路元素,可製造出的新元件會是大家無法預料的。

Williams 與其研究團隊所發明的首個憶阻器,是以兩層三明治型態的二氧化鈦薄膜為基礎;做為一種記憶元素,其運作方式是透過耦合該種材料中的原子運動與電子運動,來改變薄膜的原子結構。

MemristorHP 所使用的底層材料,是由鈦原子與氧原子組成的對稱晶格(lattice),可做為良好的絕緣體;但頂層則摻雜了氧空缺(oxygen vacancies),使其能成為導體(空缺越多導電性越好)。HP 在二氧化鈦中製造這種氧空缺的秘訣,是使用濺鍍沉積法(sputter deposition)產生大量的氧,然後再削減氧氣流量產生空缺層。

透過在三明治層的上方與下方放置奈米線縱橫閂,電荷就會穿越該材料。Williams 指出:「我發現憶阻器材料的方法,就是透過研究二氧化鈦感測器的運作模式;這讓我想到,可以透過移動該材料內的氧空缺來製造憶阻器。」

Williams 表示,對該元件通電之後,就能推動材料層中的氧空缺到沒有氧空缺的地方,因而改變其電阻係數值達 1000 以上,將憶阻器「開啟」;而若將電流逆轉,讓氧空缺回到原地,就可「關閉」憶阻器。

就像 Chua 所預言的,Williams 已經在計劃利用 HP 的縱橫閂結構,研發超越一般記憶體的全新型態元件。「如果我們用快速猛烈的方式來對憶阻器通電,它的運作方式會像是數位元件;但是如果我們用緩慢溫和的方式來對其通電,它就會像是類比元件。」他表示,該團隊已經利用其縱橫閂結構,設計了一種同時具備數位與類比功能區塊的新型態電路。

Williams 透露,在類比功能的那部份,他們希望能創造一種以憶阻器為基礎的類比計算元件,其運作方式類似人腦神經元突觸,執行功能控制時會以比較對照的方式來進行,例如判斷某樣東西的尺寸比另一樣東西大或是小。

該研發團隊尚未建立一個神經元網路,不過相信在其縱橫閂的類比功能部份應用憶阻器,將可對神經元網路有很大助益。

HP 計畫在 2008 年稍晚公佈其憶阻器材料的運作細節,以及該研發團隊已經最佳化的、在不同型態電路中的奈米級縱橫式交換器架構。「憶阻器不只可做為現有記憶體元件的替代品,也可望應用在人們從未想像過的各種新型態元件中。」Williams 表示。
 
 
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