新一代晶体管将改变计算构架

信息与动态

新一代晶体管将改变计算构架

在美国哥伦比亚广播公司的热播剧 《疑犯追踪》中，男二号设计了一个可以通过分析监视和情报反馈来预测恐怖袭击和其他暴力事件的 “机器”。

10年之内普通晶体管将被替代，这预示着传统的计算机体系结构将被彻底地进行重新设计。忆阻器，在过去6年间，成为大量研究工作的重点，它可能作为 “新器件”的基本模块。 “新器件”小至物联网 （联网的、嵌入传感器的设备）中的传感器及存储芯片，大至科学家、工程师和华尔街用于大数据应用的巨型计算机。

现在，以及过去的50年中，计算机的工作方式一直没有变化，都是对快速动态存储器中的数据进行处理，然后通过传输线路 （包括输入、输出通道）将数据送入速度较慢的永久磁盘存储。而我们这里讲的忆阻器，可以将动态存储 （台式机中的RAM）和断电时保存数据的硬盘驱动或闪存芯片的优点结合在一个器件中。

这一创新想法可以追溯到20世纪90年代后期，惠普的高级研究员斯坦·威廉姆斯 （Stan W illiams）成立了惠普公司的信息与量子系统实验室来展望未来20年的计算机行业。因为基于摩尔定律 （英特尔创始人戈登·摩尔1965年提出，认为一个芯片容纳的晶体管数量大约每2年增加1倍），40年来计算机行业的发展一直依赖于生产更小、更便宜的晶体管。

威廉姆斯的团队据此开始研究越来越小的晶体管，这让他们开始考虑当器件小到单分子级别会发生什么，这种情况下单个原子的运动都会影响性能。在这一尺寸下，研究者们遇到了一个暂时无法理解的现象。直到2008年，团队中的一个人读了蔡少棠 （Leon Chua）35年前的文章才理解了这一现象，蔡少棠是加州大学伯克利分校的电气工程和计算机科学的教授。

在这篇文章中，蔡少棠认为：忆阻器将成为继电阻、电容和电感器之后的第4种重要的电子器件。威廉姆斯意识到，他的团队看到的是，蔡少棠的预言在二氧化钛薄膜上的实现。随后，其他人也加入了这一研究。2012年，通用汽车和波音公司联合建立的休斯顿实验室宣布首次成功地运行了忆阻器阵列，采用了互补金属氧化物半导体（CMOS）制造工艺，这是目前大多数电子器件使用的方法。

新的电子器件运行方式完全不同——晶体管在开关状态间切换，而忆阻器则像模拟器件一样可以处于中间态。开发者之前预计的忆阻器发展速度比实际进行得更快。2010年惠普就预言忆阻器当年将进入市场。惠普实验室的首席架构师同时也是惠普员工的柯克·布莱斯尼克尔 （Kirk Bresniker）认为这不太可能。该器件在商业发布前，还需要进行更多的工作。惠普和公司发展伙伴还在元素周期表中寻找元素的精确组合和特定的制造工艺，以期得到最好的忆阻效果来保存数据完整。他们还希望将这一技术整合到标准的CMOS芯片中，从而以合理的成本进行大量的生产。

与此同时，对于用忆阻器能制造什么，大家的想法也在不断地演变中。在2014年6月中旬的惠普发现大会上，公司首席技术官马丁·芬克提出了一个简单的架构，他简称其为 “机器”。它包括一组用光纤代替铜线的存储电路，这些存储电路与高效能专用处理器相连。

忆阻器可以大大地提高电子元件的能效比，并能更好地处理来自物联网 （监控工厂、写字楼或住宅的设备或系统）的大量数据。当然，还有延续过去40年中，计算机行业中计算能力和存储密度的指数增长，以及价格的不断下降。出于类似的原因，IBM公司最近宣布，将斥资30亿美元，推行实验性的 “后硅时代”的架构和芯片，预计10年内，现有的系统将会有根本性的改进。

这些变化将催生彻底的行业改革，计算机操作系统将更加适应硬件的发展，不再区分动态存储和长期存储。布莱斯尼克尔将这些变化看作抛弃操作系统代码繁琐分层的机会，这些分层之前是为了适应硬件限制而采用的。

根据惠普目前的发展时间表，忆阻器最早将在2015年投入生产，并在2016年作为计算机的双列直插式存储模块（DIMM）。 “机器”的操作系统将在2017年投入广泛的测试，新架构在2019年与实体产品整合。即使这些计划没有实现，布莱斯尼克尔相信尝试仍然是值得的： “每一个元件 （本身）是有趣的……即使对于传统的计算单元及其周围的存储结构，抽出铜或拿掉片纤维都能提高效率……我们需要一个替代存储技术。就算它只是使DIMM和现在一样降低，那它也是一个有用的东西。”

（摘自环球科学）