憶阻器取代晶體管？時間問題！

來源：悅智網

1947年，貝爾實驗室發明了晶體管，開創了一個電子設備的時代，電子設備比體積龐大、易碎的真空管電子設備更小、運行更冷、功耗更低。晶體管用作二進制開關，以促進電流從關閉狀態變爲開啓狀態。收音機、計算器和電話是第一批用新的半導體技術取代真空管的儀器。隨着技術規模越來越小，隨後的幾十年裡，硅晶體管穩步集成到設備中，今天的計算機、手機、手錶、起搏器和幾乎所有類型的電子設備都依賴於它們進行高速處理和存儲。

憶阻器是一種電子設備，它使用二維和三維矩陣配置或交叉開關陣列來模擬二進制開關，以根據電流電阻調節導電狀態。KAUST材料科學與工程副教Mario Lanza博士斷言，與晶體管一樣，憶阻器成爲新的開關技術標準，在速度和操作效率上超越晶體管只是時間問題。

由多層六方氮化硼製成的憶阻器的三維示意圖

Lanza是最近發表的一篇評論論文《 Memristive technologies for data storage, computation, encryption, and radio-frequency communication》的主要作者，該論文是《科學》雜誌對晶體管發現75週年的報道的一部分。該論文由來自工業界和學術界的共同作者提供的研究結果提供，是第一個提供支持跨材料和應用的憶阻器技術準備水平的數據的全面摘要。

“憶阻器主要由四種不同的材料製成，可應用於四種應用，共有16種組合，本文涵蓋了所有這些，”Lanza說。“我們從統計上展示了憶阻器在這些不同配置中如何發揮作用的技術標準。你會看到什麼是有效的，這非常令人興奮。我們對研究結果的彙總可能對該領域產生重要影響。”

Lanza預見，在未來，許多其他組合可能成爲可能，因爲由二維層狀材料和鈣鈦礦製成的憶阻器正在迅速提高其性能，並且可能會設計出更多的應用。

超越

目前的芯片技術在尺寸方面已經達到了基本的量子力學極限。芯片晶體管不能小於原子間距離。由於按比例縮小不是一種選擇，憶阻技術可以按比例擴大，將垂直的三維技術集成在一起，該技術涉及納米尺寸的金屬線矩陣和絕緣開關——憶阻器——在每個結點。施加電壓脈衝會破壞絕緣層，從而形成電流通路。在去除電壓的過程中，材料的修改結構仍然作爲導電幽靈，或記憶，當再次施加電壓時，可以反轉以恢復初始狀態。

通過這種方式，憶阻器充當極性開關，可以在導電和非導電狀態之間切換。Lanza 說，這種能力可用於集成序列中的許多不同功能。

“憶阻器就像一把瑞士軍刀。它可以用於很多事情，”Lanza說。“這是一個開關，我可以調整許多狀態，無論我想要 25 個穩定或不穩定狀態，還是十個或兩個。可以對網格進行編程，以快速進行高級計算，在更少的空間和更多的空間中消耗更少的能量應用程序——否則需要許多晶體管來完成相同工作的計算。”

可以使用不同的材料（圖上）製造電阻可以調整到兩個或更多非易失性水平的憶阻器件。這允許調整它們的性能以滿足不同技術的要求。憶阻存儲器已成爲現實，在高級計算、安全系統和移動通信（圖下）方面正在取得重要進展。

Lanza 所說的用於製造憶阻器的四種非硅基材料是金屬氧化物，例如二氧化鉿；相變，即硫屬元素；磁性，即鈷或鐵；和鐵電體，即鈦酸鋇。憶阻器的主要應用是存儲、計算、通信和加密。根據使用的材料和應用的電阻，可以調整性能以滿足不同技術的要求。

解決差距

憶阻器的3D集成允許封裝更多設備，同時保持儘可能小的尺寸，證明尺寸並不是卓越運營的聖盃。Lanza說，這項技術已經在晶體管上完成，但它是憶阻器的新領域。儘管憶阻器的概念是在1970年代引入的，但該技術直到最近十年左右才引起關注。

雖然憶阻器已經出現在一些產品中，例如數據中心和手錶，但Lanza表示，還有許多有前景的應用尚待探索，該行業正在密切關注這項技術，以評估硅晶體管電子以外的未來商業用途。

他將論文發現的範圍和細節歸功於團隊的跨學科性質。其中三位合著者是來自工業界的科學家，另外六位來自學術界，其中包括Lanza。在工業界的三位作者中，一位來自臺積電（TSMC）——這家跨國公司負責生產世界上大部分芯片，包括最小和最先進的微芯片；其中兩個來自國際商業機器公司 (IBM)，它是提供先進信息技術的領導者，業務遍及170多個國家/地區。

該論文的來自學術界的特約作者帶來了特定憶阻器應用方面的專業知識，包括數據加密，這是一個缺乏行業標準信息的領域。Lanza 說，該論文解決了這些差距，建立了行業和其他人可以參考和完善的技術規範標準的基線。

Lanza 小組的成員，2022 年 6 月。從左到右：Osamah Alharbi、Mario Lanza、Yue Yuan、Marco Antonio Villena 和 Sebastian Pazos。照片：Mario Lanza / KAUST

預計到2026年市場預測將增長到56億美元——在近2800億美元的內存市場中增長2%——他希望該論文能夠爲公司提供投資新憶阻器技術所需的動力。

臺積電企業研究部總監、國立清華大學特聘教授張孟凡博士說：“這是第一篇對憶阻器的結構和應用進行廣泛概述的文章，憶阻器是預計將徹底改變微電子行業。”

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