電晶體繼任者有望很快開啟“機器時代”

一種當今計算機中關鍵部件的繼任者可能在幾年內問世

普通電晶體的替代品可能在本十年末上市,這將預示著傳統計算機架構的徹底重新設計。憶阻器是過去六年研究的重點,可能成為一系列新裝置的基本構建塊,從構建到“物聯網”(連線的、嵌入感測器的裝置)中的感測器和儲存晶片,到科學家、工程師和華爾街用於大資料應用的大型計算機。

今天以及過去 50 年,計算機一直透過在快速動態記憶體中處理資料,並將其透過導線(輸入/輸出通道)推送到速度較慢的永久磁碟儲存器中來工作。憶阻器可能會在一個單一裝置中結合動態記憶體(臺式電腦中的 RAM)和硬碟或快閃記憶體晶片的最佳特性,這些晶片在斷電時仍能保留資料。

最初的想法可以追溯到 1990 年代後期,當時惠普高階研究員斯坦·威廉姆斯 (Stan Williams) 成立了惠普的資訊和量子系統實驗室,以展望未來二十年的計算發展。40 年來,該行業一直依賴於其製造基於摩爾定律(英特爾創始人戈登·摩爾 (Gordon Moore) 在 1965 年提出的觀察,即晶片上可容納的電晶體數量大約每兩年翻一番)的、不斷縮小、不斷廉價的電晶體的能力。


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因此,威廉姆斯團隊首先開始研究越來越小的電晶體,這使他們開始考慮當裝置縮小到單個分子的大小時會發生什麼,在這種情況下,單個原子的運動會影響效能。在那個尺寸下,研究人員遇到了他們不理解的效應,直到 2008 年,當時團隊中的一位成員閱讀了加州大學伯克利分校電氣工程和計算機科學教授 Leon Chua 在 35 年前撰寫的一篇論文。

蔡教授在論文中計算出,憶阻器將成為繼電阻器、電容器和電感器之後的第四種電子元件。威廉姆斯意識到他的團隊正在鈦氧化物薄膜中看到蔡教授的預測變為現實。隨後,其他人也加入了搜尋行列。2012 年,通用汽車和波音公司合資的研究機構 HRL 實驗室宣佈了首個成功執行的憶阻器陣列,該陣列採用用於大多數電子裝置的互補金氧半導體 (CMOS) 製造工藝構建。

舊的和新的電子裝置以根本不同的方式運作。電晶體在開啟或關閉狀態之間切換,而憶阻器(如模擬裝置)可以佔據一系列中間狀態。開發人員曾預計憶阻器的開發速度會比現在更快。2010 年,惠普預測憶阻器裝置將在今年上市。惠普實驗室首席架構師兼惠普研究員柯克·佈雷斯尼克 (Kirk Bresniker) 表示,這不太可能。這些裝置在商業釋出之前仍需要更多工作。惠普和該公司的開發合作伙伴仍在週期性地搜尋元素週期表,尋找元素的精確組合和特定的製造工藝,以使最佳的憶阻效應能夠完整地儲存資料。他們還希望將這項技術融入到可以以合理成本批次生產的標準 CMOS 晶片中。

與此同時,可以用憶阻器構建什麼的概念仍在不斷發展。在六月中旬舉行的惠普探索大會上,公司首席技術官馬丁·芬克 (Martin Fink) 概述了一個簡單的架構,他簡單地稱之為“機器”。它由一組儲存電路組成,這些電路使用光纖而不是銅線連線到高效的專用處理器。

該行業在進行轉變時有幾個目標。憶阻器可以大大提高電子元件的能源效率,並且能夠更好地應對來自物聯網的預期資料洪流,物聯網可以監控或控制工廠、辦公樓或家庭中的裝置或系統。對其開發至關重要的是計算能力和儲存密度的指數級增長的持續,這種增長使得過去 40 年的價格大幅下降。出於類似的原因,IBM 剛剛宣佈將花費 30 億美元來追求實驗性的“後矽”架構和晶片,預測現有系統將在 10 年內發生根本性變革。

這些變化將對計算機作業系統進行根本性的改革,以適應不再區分動態記憶體和長期儲存的硬體。佈雷斯尼克認為,這種變化是一個機會,可以拋棄以前為了適應舊硬體的侷限性而採用的笨重的作業系統程式碼層。

惠普目前的開發時間表是憶阻器將於 2015 年進入最早的生產階段,並於 2016 年作為 DIMM(雙列直插式記憶體模組)推出用於計算機記憶體。“機器”的作業系統將於 2017 年進入更廣泛的公開測試階段,新架構計劃於 2019 年整合到實際產品中。即使這一切都沒有實現,佈雷斯尼克也認為這種嘗試是值得的:“每個元素本身都很有趣……。即使周圍都是傳統的計算和記憶體機制,拉出銅線並放入光纖也會更有效率……。我們需要一種替代記憶體技術。如果它除了取代我今天的 DIMM 之外什麼都不做,那也將是一件有用的事情。”

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