新一代晶體管將改變計算構架

信息與動態(tài)

新一代晶體管將改變計算構架

在美國哥倫比亞廣播公司的熱播劇 《疑犯追蹤》中，男二號設計了一個可以通過分析監(jiān)視和情報反饋來預測恐怖襲擊和其他暴力事件的 “機器”。

10年之內(nèi)普通晶體管將被替代，這預示著傳統(tǒng)的計算機體系結構將被徹底地進行重新設計。憶阻器，在過去6年間，成為大量研究工作的重點，它可能作為 “新器件”的基本模塊。 “新器件”小至物聯(lián)網(wǎng) （聯(lián)網(wǎng)的、嵌入傳感器的設備）中的傳感器及存儲芯片，大至科學家、工程師和華爾街用于大數(shù)據(jù)應用的巨型計算機。

現(xiàn)在，以及過去的50年中，計算機的工作方式一直沒有變化，都是對快速動態(tài)存儲器中的數(shù)據(jù)進行處理，然后通過傳輸線路 （包括輸入、輸出通道）將數(shù)據(jù)送入速度較慢的永久磁盤存儲。而我們這里講的憶阻器，可以將動態(tài)存儲 （臺式機中的RAM）和斷電時保存數(shù)據(jù)的硬盤驅(qū)動或閃存芯片的優(yōu)點結合在一個器件中。

這一創(chuàng)新想法可以追溯到20世紀90年代后期，惠普的高級研究員斯坦·威廉姆斯 （Stan W illiams）成立了惠普公司的信息與量子系統(tǒng)實驗室來展望未來20年的計算機行業(yè)。因為基于摩爾定律 （英特爾創(chuàng)始人戈登·摩爾1965年提出，認為一個芯片容納的晶體管數(shù)量大約每2年增加1倍），40年來計算機行業(yè)的發(fā)展一直依賴于生產(chǎn)更小、更便宜的晶體管。

威廉姆斯的團隊據(jù)此開始研究越來越小的晶體管，這讓他們開始考慮當器件小到單分子級別會發(fā)生什么，這種情況下單個原子的運動都會影響性能。在這一尺寸下，研究者們遇到了一個暫時無法理解的現(xiàn)象。直到2008年，團隊中的一個人讀了蔡少棠 （Leon Chua）35年前的文章才理解了這一現(xiàn)象，蔡少棠是加州大學伯克利分校的電氣工程和計算機科學的教授。

在這篇文章中，蔡少棠認為：憶阻器將成為繼電阻、電容和電感器之后的第4種重要的電子器件。威廉姆斯意識到，他的團隊看到的是，蔡少棠的預言在二氧化鈦薄膜上的實現(xiàn)。隨后，其他人也加入了這一研究。2012年，通用汽車和波音公司聯(lián)合建立的休斯頓實驗室宣布首次成功地運行了憶阻器陣列，采用了互補金屬氧化物半導體（CMOS）制造工藝，這是目前大多數(shù)電子器件使用的方法。

新的電子器件運行方式完全不同——晶體管在開關狀態(tài)間切換，而憶阻器則像模擬器件一樣可以處于中間態(tài)。開發(fā)者之前預計的憶阻器發(fā)展速度比實際進行得更快。2010年惠普就預言憶阻器當年將進入市場?；萜諏嶒炇业氖紫軜嫀熗瑫r也是惠普員工的柯克·布萊斯尼克爾 （Kirk Bresniker）認為這不太可能。該器件在商業(yè)發(fā)布前，還需要進行更多的工作?；萜蘸凸景l(fā)展伙伴還在元素周期表中尋找元素的精確組合和特定的制造工藝，以期得到最好的憶阻效果來保存數(shù)據(jù)完整。他們還希望將這一技術整合到標準的CMOS芯片中，從而以合理的成本進行大量的生產(chǎn)。

與此同時，對于用憶阻器能制造什么，大家的想法也在不斷地演變中。在2014年6月中旬的惠普發(fā)現(xiàn)大會上，公司首席技術官馬丁·芬克提出了一個簡單的架構，他簡稱其為 “機器”。它包括一組用光纖代替銅線的存儲電路，這些存儲電路與高效能專用處理器相連。

憶阻器可以大大地提高電子元件的能效比，并能更好地處理來自物聯(lián)網(wǎng) （監(jiān)控工廠、寫字樓或住宅的設備或系統(tǒng)）的大量數(shù)據(jù)。當然，還有延續(xù)過去40年中，計算機行業(yè)中計算能力和存儲密度的指數(shù)增長，以及價格的不斷下降。出于類似的原因，IBM公司最近宣布，將斥資30億美元，推行實驗性的 “后硅時代”的架構和芯片，預計10年內(nèi)，現(xiàn)有的系統(tǒng)將會有根本性的改進。

這些變化將催生徹底的行業(yè)改革，計算機操作系統(tǒng)將更加適應硬件的發(fā)展，不再區(qū)分動態(tài)存儲和長期存儲。布萊斯尼克爾將這些變化看作拋棄操作系統(tǒng)代碼繁瑣分層的機會，這些分層之前是為了適應硬件限制而采用的。

根據(jù)惠普目前的發(fā)展時間表，憶阻器最早將在2015年投入生產(chǎn)，并在2016年作為計算機的雙列直插式存儲模塊（DIMM）。 “機器”的操作系統(tǒng)將在2017年投入廣泛的測試，新架構在2019年與實體產(chǎn)品整合。即使這些計劃沒有實現(xiàn)，布萊斯尼克爾相信嘗試仍然是值得的： “每一個元件 （本身）是有趣的……即使對于傳統(tǒng)的計算單元及其周圍的存儲結構，抽出銅或拿掉片纖維都能提高效率……我們需要一個替代存儲技術。就算它只是使DIMM和現(xiàn)在一樣降低，那它也是一個有用的東西?！?/p>

（摘自環(huán)球科學）