作者:张章 来源:中国科学报 发布时间:2014-7-29 11:05:39
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晶体管继任者走来 忆阻器或成计算机新宠

美国哥伦比亚广播公司的《疑犯追踪》塑造了一个人物,他设计出一种能预测恐怖袭击的机器。

图片来源:哥伦比亚广播公司

普通晶体管的替代者或许能在这个10年后进入市场,这预示着传统计算机功能结构将出现彻底性的重新设计。忆阻器——过去6年间大量研究的主题——将成为一系列新设备的基本构件,这些设备从“物联网”内部的传感器和记忆芯片,到科学家、工程师和华尔街职员用于处理海量数据的巨型计算机。

今天以及过去的50年里,计算机用快速动态存储器处理数据,并将数据经由电线(输出/输入通道)传递到速度较低的永久磁盘存储器中。忆阻器能够将动态存储器(台式电脑的随机访问内存)和硬盘驱动器或闪存的最佳性能结合到单一设备中,以便在电源被切断时仍能保存数据。

这一理论可追溯到上世纪90年代末,当时惠普公司高级研究员Stan Williams建立了该公司的信息和量子系统实验室,以便开拓未来20年的计算技术。40年来,工业界不断制造基于摩尔定律的更小、更便宜的晶体管。英特尔公司创始人Gordon Moore在1965年发布的观察报告显示,能安装在芯片上的晶体管的数量大约每两年就增加一倍。

于是,Williams研究团队开始研发越来越小的晶体管,这致使他们考虑当设备缩小到单个分子大小时会发生什么,以及单个原子运动将如何影响其性能。但在这个尺寸上,研究人员遇到了无法解释的问题,直到2008年,当时一个研究小组读到了加州大学伯克利分校电气工程师和计算机学家Leon Chua在35年前撰写的论文。

在论文中,Chua预计,忆阻器将变成第四个电子元件,其他3个分别是电阻器、电容器和电感器。Williams意识到,他的研究团队正在看到Chua的预测在二氧化钛薄膜上实现。随后,其他科学家也加入到探索中来。2012年,HRL实验室(一个由通用汽车公司和波音公司共有的研究设施)宣布首次成功运行忆阻器阵列,即利用了用于电子设备生产的互补金属氧化物半导体(CMOS)制造工艺。

新旧电子产品运行方式存在根本不同。晶体管开关处于开或关之间的状态,反之忆阻器,就像模拟装置那样,能够处于中间状态。开发商期望忆阻器能更快发展。2010年,惠普公司预测,忆阻器设备将能在当年进入市场。但惠普公司实验室总建构师Kirk Bresniker却认为不太可能。在能够商业推出之前,此类设备还需要更多的研究工作。

惠普公司及其研发伙伴仍在元素周期表中寻找元素的精确组合,以及能保存完整数据的最好忆阻功能的特定生产过程。他们还希望将该技术与CMOS标准芯片相结合,这样一来能以合理成本进行大量生产。

同时,如何建造忆阻器的理念也在持续演进。在6月中旬召开的惠普公司探索会议上,该公司首席技术官Martin Fink概述了一个简单的体系结构,他将其简单地称为“机器”。它包含一套记忆电路,并利用光导纤维而非铜线连接到高效专用处理器上。

该行业有若干目标处于变化中。忆阻器可以大大提高电子元件的能源效率,并能更好地处理数据洪流。对于这些设备的发展而言,一个必不可少的因素是,计算能力和储存密度指数式增长的延续,在过去40年里,这些产品的价格出现了暴跌。出于类似原因,IBM刚刚宣布将投入30亿美元,用于研发实验性“后硅”结构和芯片,并预计在10年里能出现现存体系的根本性变化。

这些变化将带来计算机操作系统的极大变化,以适应不再区分动态存储器和长期存储的计算机硬件。Bresniker认为这种改变是一个契机,以抛弃烦琐的操作系统代码——这些代码以前用来适应老式硬件的限制。

在惠普公司目前的开发时间表中,忆阻器将于2015年进入最早期生产阶段,并于2016年启动双列直插内存模块用于计算机内存。用于“机器”的操作系统将在2017年进入公开测试阶段,2019年,新体系结构将被用于实际产品。即便这些计划都未成功,Bresniker也认为,这样的尝试是值得的:“每一个部分都是有趣的。拔出铜且装上纤维将更有效,即便是在传统计算机和记忆体制中也是如此。我们需要替换记忆技术。”(张章) (原标题《晶体管继任者大步走来 忆阻器或成计算机领域新宠》)

《中国科学报》 (2014-07-29 第3版 国际) 
 
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