你從未聽說過的最重要發明家

斯坦福·奧夫辛斯基改變了你的生活,他的才華的全面影響可能還在後頭

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《經濟學人》稱斯坦福·奧夫辛斯基為“我們時代的愛迪生”時,這個名字對大多數人來說可能很陌生,但這個比喻很貼切。 和愛迪生一樣,奧夫辛斯基是一位多產的自學成才的發明家。 在他的400多項專利中,包括鎳氫電池(仍然為許多混合動力汽車提供動力)和大規模生產廉價薄膜太陽能電池板的方法的專利。

這些和許多其他技術都來自奧夫辛斯基卓越的研發實驗室——能源轉換裝置公司 (ECD),這是一個像愛迪生在門洛帕克一樣的發明工廠。 然而,現在看來,奧夫辛斯基最持久的遺產將是他早在 ECD 發展壯大之前就取得的成就,那時他還是一個孤立的獨立發明家——而且,與愛迪生的發明不同,它源於他自己做出的一項基礎科學發現。

奧夫辛斯基最初是俄亥俄州阿克倫市的商店和工廠裡的機械師和工具製造商,他於 1922 年出生在那裡。 他的第一項重大發明是 1946 年的創新型自動化車床,後來他將自動化應用於其他裝置。 遵循諾伯特·維納的控制論原理(該原理著眼於機器和生物體中的自 регулирующие 系統),他研究了機器控制裝置和生物神經系統之間的相似之處,這導致他在 1959 年發明了一種強大的電化學開關。


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該裝置依賴於覆蓋其鉭電極的薄氧化物薄膜,在奧夫辛斯基看來,這類似於神經細胞膜。 當與前合夥人的訴訟和解禁止他使用相同的材料開發這種開關時,奧夫辛斯基開始系統地搜尋新材料,這一搜索最終促成了他最重要的發現。

他專注於硫族元素,即元素週期表中與氧同族的元素(即硫、硒、碲和釙),並嘗試了碲與鄰近元素(如砷和銻)合金化的薄膜。 1961 年的結果是現在被稱為“奧夫辛斯基效應”的現象——在電阻態和導電態之間幾乎瞬時且可逆的切換。 這種效應產生了一種閾值開關,當電壓達到或低於一定幅度時,該開關會開啟或關閉。

它還產生了一種雙穩態電儲存器,一種保持導電狀態的開關,直到更強的脈衝使其返回電阻態。 這些半導體器件由非晶(非晶體)材料組成,這是一項以前被認為不可能實現的壯舉。 在 20 世紀 60 年代,固態物理幾乎完全研究晶體,並且人們認為像電晶體這樣的半導體器件只能由晶體材料製成。 奧夫辛斯基的發現來自一位未經認可的局外人,並且與當時的科學假設相矛盾,最初遇到了強烈的抵制,但隨著時間的推移,它被接受了。

非晶和無序材料日益增長的科學和商業重要性部分是奧夫辛斯基的遺產,但還有一項更具體的貢獻,現在才開始顯現。 相變儲存器透過在非晶態和晶態之間來回切換工作,最初在光學版本中成功商業化,其中雷射脈衝觸發變化,這是可重寫 CD 和 DVD 的基礎。 這些在 20 世紀 80 年代開始使用,但開發電儲存器版本花費了更長時間。

為了作為資訊科技取得成功,相變儲存器必須提高其效能。 降低其功耗要求是透過一些小的修改來實現的,而提高其速度則來自一項重大進步。 對光學儲存器的研究產生了一種具有非常快的開關速度的硫化物合金 (Ge2Sb2Te5)。 奧夫辛斯基認為,這種合金在電儲存器中的效能會更好,他的員工進行的實驗也出色地證實了這一點。

但即使取得了這一成功,相變儲存器仍然面臨著快閃記憶體的強大競爭,晶片製造商在快閃記憶體上投入了巨資。 相變顯然更勝一籌:速度更快,功耗更低,並且能夠進行更多數量級的重寫週期。 但它也更昂貴,正如奧夫辛斯基的一位科學家所觀察到的,市場想要的是“便宜且足夠好”。 長期以來,快閃記憶體一直便宜且足夠好。

當奧夫辛斯基於 2012 年去世時,相變儲存器仍在等待時機到來。 該領域的研究人員知道,最終基於矽的快閃記憶體將達到其縮小尺寸的極限,並認為硫化物相變儲存器(隨著尺寸縮小,其效能甚至更好)將取代它。

大多數人認為這可能需要數十年。 因此,當英特爾和美光(已獲得奧夫辛斯基的專利)在 2015 年宣佈推出他們的 3D XPoint 晶片時,稱其為“儲存器工藝技術的重大突破,也是自 1989 年推出 NAND 快閃記憶體以來的第一個新儲存器類別”,這令人感到驚訝。 隨著關於該晶片的更多細節浮出水面,人們清楚地認識到,它基於奧夫辛斯基的相變技術,並且使用的設計與他的研究人員多年前建立的設計基本相同。

隨著 21 世紀資訊科技的進步,奧夫辛斯基 50 多年前發現的相變儲存器似乎很可能成為他最重要的遺產。

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