2013 年前使用忆阻器的记忆装置将上市

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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 cm