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諾貝爾物理獎預測:蔡少棠與憶阻器(memristor)

今年的諾貝爾獎將於今個星期陸續出爐,每年都有不少誰會得獎的預測,今年香港報紙力捧於科大任教的OLED之父鄧青雲,不過我的諾貝爾物理獎的心水熱門人選,則是同樣都是華裔科學家,曾於加洲柏克萊大學任教的蔡少棠(Leon Chua)。恐怕行外沒有多少人聽過蔡少棠的名字,不過他的女兒倒很出名,就是「虎媽的戰歌」的作者蔡美兒。蔡少棠是第一個發現憶阻器(memristor)的人,他的發現足以改寫所有電子學教科書,奪取諾貝爾物理獎絕對實至名歸。

當年我讀大學時的電子教科書,只有三種基本被動電子元件,電阻(resistor),電容(capacitor),電感(inductor)。三種電子元件聯繫著四個基本數值,電流(current),電壓(voltage),電荷(charge),磁通量(flux),四種數值應該有六種聯繫方式,但已知的電子理論只能解釋到其中五個聯繫。蔡少棠從電子的數學模型上推論,認為應該存在第四種基本電子元件,那就是憶阻器(memristor)。顧名思義,憶阻器的特性便是能夠記憶電阻值,憶阻器簡單來說是一個可變電阻。當強大的正電壓通過時,便會增加憶阻器的電阻值,反之強大的負電壓通過時,便會減少憶阻器的電阻值。蔡少棠於一九七一年發表第一份憶阻器的論文,也許他的理論太過超前,也許一直都沒有人發現憶阻器在物理上的存在,電子科學界三十多年來差不多完全無視他的理論。憶阻器妨如只存在於數學模型中的幻之電子元件,不少電子科學家認為那只不過是一些有趣的數學公式。

終於在2008年,HP實驗室的科學家Stanley Williams在研究新記憶體時,無意中發現憶阻器的存在。他的實驗室在研發創新的crossbar記憶體架構,以改變其電阻值作為記憶體的位元,大電阻值時代表一,細電阻值時則代表零。他嘗試用不同的物料去構成記憶體,他的記憶體實驗姑且算是成功,他發現用二氧化鈦(TiO2)有改變電阻值的特性,但卻苦無任何物理學理論能解釋其運作原理。某天他的同事Greg Snider丟給他蔡少棠那份被多數人遺忘了的憶阻器論文,不看可猶自可,一看之下Stanley驚覺自已原來造出了那個幻之電子元件,蔡少棠的數學模型正好解釋他奇怪的實驗觀測。

憶阻器可以說是革命性的記憶體,傳統的記憶體分為兩大類,DRAM讀寫速度快,但關上電源便資料沒有了,而FlashRAM可以在沒有電源時保存資料,但讀寫速度緩慢。憶阻器則集兩家之大成,不單讀寫速度快,沒電時也能保存資料。試想像一下如果用憶阻器做電腦的主記憶體,便不用每次開機都要經歷漫長的等待了,關上電源後不會清空記憶體的內容,下次開機便可以立即回復先前的進度。由於憶阻器是被動電子元件,不需要使用電力去記著和讀取資料,只是在寫入資料時才需要電力,因些耗電量非常少,可以令電池更加耐用。除了當記憶體外,憶阻器還可以取代半導體去組成構邏輯閘的單元,藉著組合不同電阻值的憶阻器,能模疑NAND這個萬用邏輯閘。而用憶阻器組成的邏輯,更可在運算中改變其算式,讓半導體晶片結合傳統FPGA的功能。憶阻器比半導體的體積更細,運行時所需的電力也較少,最重要是可以應用現行的圓晶技術生產,相信可以延繼摩爾定律多十年二十年。

或許憶阻器最革命性的應用,是用來製造人工智能電腦的神經網絡。我們目前只能用半導體電腦去模疑腦袋如何運作,不論電腦技術發展如何飛快,模疑腦袋始終追不上真正腦袋的速度。憶阻器正好吻合人類神經系統的神經鍵(synapses)的特性,或許這讓我們能夠建造與人腦同樣運作原理的電子腦,造出能夠和人類同樣地思考的智能機械人,終有一天實現科幻小說中關於機械人的預言。

2 comments to 諾貝爾物理獎預測:蔡少棠與憶阻器(memristor)

  • 看文章,憶阻器和半導體的區別似乎主要是憶阻器在斷電情況下可以保持當前電阻(記憶性)?沒有太多clean room的經驗,不過感覺生長和蝕刻氧化物的流程應該和晶圓差別挺大的啊。
    不過無需替換現成半導體流水線,而且還可以做到更密制,對於電子行業來說那真是太好了。

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