這個禮拜有一則大新聞，是 HP 將和 Hynix 合作，在 2013 年前讓使用憶阻器（Memristor）的記憶裝置上市
，和閃存一較高下。這在業界被認為是一個重要的裏程碑，但是憶阻器究竟是什麼？它有什麼神奇的特 性，讓它這麼受重視？在這篇裏小薑試著用最簡單的方式，介紹憶阻器這有趣的「新」電子零件給大家，並且探討為什麼它可能是晶體管以來，最重要的電子進展。

　　什麼是憶阻器？

　　憶阻器的英文 Memristor 來自「Memory（記憶）」和「Resistor（電阻）」兩liang個ge字zi的de合he並bing，從cong這zhe兩liang個ge字zi可ke以yi大da致zhi推tui敲qiao出chu它ta的de功gong用yong來lai。最zui早zao提ti出chu憶yi阻zu器qi概gai念nian的de人ren，是shi華hua裔yi的de科ke學xue家jia蔡cai少shao棠tang，當dang時shi任ren教jiao於yu美mei國guo的de柏bai克ke萊lai大da學xue。時shi間jian是shi 1971 年
，在研究電荷
、電流、電壓和磁通量之間的關係時，蔡教授推斷在電阻
、電dian容rong和he電dian感gan器qi之zhi外wai，應ying該gai還hai有you一yi種zhong組zu件jian
，代dai表biao著zhe電dian荷he與yu磁ci通tong量liang之zhi間jian的de關guan係xi。這zhe種zhong組zu件jian的de效xiao果guo，就jiu是shi它ta的de電dian阻zu會hui隨sui著zhe通tong過guo的de電dian流liu量liang而er改gai變bian，而er且qie就jiu算suan電dian流liu停ting止zhi了le，它ta的de電dian阻zu仍reng然ran會hui停ting留liu在zai之zhi前qian的de值zhi，直zhi到dao接jie受shou到dao反fan向xiang的de電dian流liu它ta才cai會hui被bei推tui回hui去qu。用yong常chang見jian的de水shui管guan來lai比bi喻yu
，電dian流liu是shi通tong過guo的de水shui量liang，而er電dian阻zu是shi水shui管guan的de粗cu細xi時shi，當dang水shui從cong一yi個ge方fang向xiang流liu過guo去qu，水shui管guan會hui隨sui著zhe水shui流liu量liang而er越yue來lai越yue粗cu，這zhe時shi如ru果guo把ba水shui流liu關guan掉diao的de話hua
，水shui管guan的de粗cu細xi會hui維wei持chi不bu變bian；反之當水從相反方向流動時
，水管就會越來越細。因為這樣的組件會「記住」之前的電流量，因此被稱為憶阻器。

　　憶阻器有什麼用？

憶阻器的理論模型，憶阻器的位置在右下角

　　在發現的當時...沒有。蔡教授之所以提出憶阻器，隻是因為在數學模型上它應該是存在的。為了證明可行性，他用一堆電阻、電容
、dianganhefangdaqizuochuleyigemoniyizuqixiaoguodedianlu
，dandangshibingmeiyouzhaodaoshenmecailiaobenshenjiuyoumingxiandeyizuqidexiaoguo，erqiegengzhongyaode，yemeiyourenzaizhao -- 那是個連集成電路都還剛起步不久的階段，離家用電腦開始普及都還有至少 15 年的時間呢！

　　HP 的 Crossbar Latch

　　Crossbar Latch 的試作品結果

　　於是這時候 HP 就登場了。事實上 HP 也沒有在找憶阻器，當時是一個由 HP 的 Phillip J Kuekes 領軍的團隊
，正在進行的一種稱為 Crossbar Latch 的技術的研究。Crossbar Latch 的原理是由一排橫向和一排縱向的電線組成的網格，在每一個交叉點上，要放一個「開關」連lian結jie一yi條tiao橫heng向xiang和he縱zong向xiang的de電dian線xian。如ru果guo能neng讓rang這zhe兩liang條tiao電dian線xian控kong製zhi這zhe個ge開kai關guan的de狀zhuang態tai的de話hua
，那na網wang格ge上shang的de每mei一yi個ge交jiao叉cha點dian都dou能neng儲chu存cun一yi個ge位wei的de數shu據ju。這zhe種zhong係xi統tong下xia數shu據ju密mi度du和he存cun取qu速su度du都dou是shi前qian所suo未wei聞wen的de，問wen題ti是shi，什shen麼me樣yang的de材cai料liao能neng當dang這zhe個ge開kai關guan？這zhe種zhong材cai料liao必bi需xu要yao能neng有you「開」
、「關」兩(liang)個(ge)狀(zhuang)態(tai)，這(zhe)兩(liang)個(ge)狀(zhuang)態(tai)必(bi)需(xu)要(yao)能(neng)操(cao)縱(zong)，更(geng)重(zhong)要(yao)的(de)，還(hai)有(you)能(neng)在(zai)不(bu)改(gai)變(bian)狀(zhuang)態(tai)的(de)前(qian)提(ti)下(xia)
，發(fa)揮(hui)其(qi)開(kai)關(guan)的(de)效(xiao)果(guo)，允(yun)許(xu)或(huo)阻(zu)止(zhi)電(dian)流(liu)的(de)通(tong)過(guo)。如(ru)何(he)取(qu)得(de)這(zhe)樣(yang)的(de)材(cai)料(liao)考(kao)倒(dao)了(le) HP 的工程師，因此他們空有 Crossbar Latch 這麼棒的想法，卻無法實現。誰知道，他們在找的東西，正是憶阻器？

　　意外的二氧化矽

　　突破來自於另一處。另一個由 Stanley Williams 領軍的 HP 團(tuan)隊(dui)在(zai)研(yan)究(jiu)二(er)氧(yang)化(hua)矽(gui)的(de)時(shi)候(hou)
，意(yi)外(wai)地(di)發(fa)現(xian)了(le)二(er)氧(yang)化(hua)矽(gui)在(zai)某(mou)些(xie)情(qing)況(kuang)的(de)電(dian)子(zi)特(te)性(xing)怪(guai)怪(guai)的(de)。本(ben)來(lai)怪(guai)怪(guai)的(de)也(ye)就(jiu)怪(guai)怪(guai)的(de)，記(ji)錄(lu)下(xia)來(lai)就(jiu)算(suan)了(le)，但(dan)他(ta)的(de)同(tong)僚(liao) Greg Snider 卻提醒了他這或許就是憶阻器，而且或許正是 Crossbar Latch 在尋找的東西。

　　二氧化矽當作憶阻器用時是這樣的 -- 一塊極薄的二氧化鈦被夾在兩個電極（上圖是鉑）中間
，這塊鈦又被分成兩個部份

，一半是正常的二氧化鈦，另一半稍微「缺氧」，少(shao)了(le)幾(ji)個(ge)氧(yang)原(yuan)子(zi)。缺(que)氧(yang)的(de)那(na)一(yi)半(ban)帶(dai)正(zheng)電(dian)，因(yin)此(ci)電(dian)流(liu)通(tong)過(guo)時(shi)電(dian)阻(zu)比(bi)較(jiao)小(xiao)，而(er)且(qie)當(dang)電(dian)流(liu)從(cong)缺(que)氧(yang)的(de)一(yi)邊(bian)通(tong)向(xiang)正(zheng)常(chang)的(de)一(yi)邊(bian)時(shi)
，在(zai)電(dian)場(chang)的(de)影(ying)響(xiang)之(zhi)下(xia)缺(que)氧(yang)的(de)「洞」會hui逐zhu漸jian往wang正zheng常chang的de一yi側ce遊you移yi，使shi得de以yi整zheng塊kuai材cai料liao來lai言yan，缺que氣qi的de部bu份fen會hui占zhan比bi較jiao高gao的de比bi重zhong，整zheng體ti的de電dian阻zu也ye就jiu會hui降jiang低di。反fan正zheng，當dang電dian流liu從cong正zheng常chang的de一yi側ce流liu向xiang缺que氧yang的de一yi側ce時shi，電dian場chang會hui把ba缺que氧yang的de洞dong從cong回hui推tui，電dian阻zu就jiu會hui跟gen著zhe增zeng加jia。

　　二氧化矽有這樣的子的特性 HP 不是第一個發現的，但是卻因為 Crossbar Latch 研(yan)究(jiu)的(de)關(guan)係(xi)，是(shi)第(di)一(yi)個(ge)了(le)解(jie)到(dao)它(ta)其(qi)實(shi)就(jiu)是(shi)憶(yi)阻(zu)器(qi)，以(yi)及(ji)它(ta)在(zai)電(dian)腦(nao)應(ying)用(yong)上(shang)的(de)重(zhong)要(yao)性(xing)的(de)廠(chang)商(shang)。在(zai)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)時(shi)，對(dui)兩(liang)根(gen)電(dian)線(xian)施(shi)加(jia)單(dan)向(xiang)的(de)電(dian)壓(ya)就(jiu)可(ke)以(yi)控(kong)製(zhi)開(kai)關(guan)的(de)狀(zhuang)態(tai)，而(er)讀(du)取(qu)時(shi)則(ze)是(shi)用(yong)交(jiao)流(liu)電(dian)來(lai)讀(du)取(qu)電(dian)阻(zu)值(zhi)
，就(jiu)可(ke)以(yi)知(zhi)道(dao)目(mu)前(qian)該(gai)開(kai)關(guan)的(de)狀(zhuang)態(tai)。

　　憶阻器的未來

　　HP 關於憶阻器的發現在 2008 年時發表於「自然」期刊，2009 年證明了 Cross Latch 的係統很容易就能堆棧
，形成立體的內存。目前的技術每個電線間的「開關」大約是 3nm x 3nm 大，開關切換的時間約在 1ns 左右，整體的運作速度約是 DRAM 的 1/10 -- 還不足以取代 DRAM，但是靠著 1 cm² 100 gigabit， 1cm³ 1 petabit（別忘了它是可以堆棧的）的驚人潛在容量，幹掉閃存是綽綽有餘的。

　　但是 Crossbar Latch 可不止用來儲存數據而已。它的網格狀設計
，和每個交叉點間都有開關，意味著整組網格在某些程度上是可以邏輯化的。在原始的 Crossbar Latch 論文中就已經提到了如何用網格來模擬 AND、OR 和 NOT 三(san)大(da)邏(luo)輯(ji)閘(zha)，幾(ji)個(ge)網(wang)格(ge)的(de)組(zu)合(he)甚(shen)至(zhi)可(ke)以(yi)做(zuo)出(chu)加(jia)法(fa)之(zhi)類(lei)的(de)運(yun)算(suan)。這(zhe)為(wei)擺(bai)脫(tuo)晶(jing)體(ti)管(guan)進(jin)到(dao)下(xia)一(yi)個(ge)世(shi)代(dai)開(kai)了(le)一(yi)扇(shan)窗(chuang)
，很(hen)多(duo)人(ren)認(ren)為(wei)憶(yi)阻(zu)器(qi)電(dian)腦(nao)相(xiang)對(dui)於(yu)晶(jing)體(ti)管(guan)的(de)躍(yue)進(jin)，和(he)晶(jing)體(ti)管(guan)相(xiang)對(dui)於(yu)真(zhen)空(kong)管(guan)的(de)躍(yue)進(jin)是(shi)一(yi)樣(yang)大(da)的(de)。另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)，也(ye)有(you)人(ren)在(zai)討(tao)論(lun)電(dian)路(lu)自(zi)已(yi)實(shi)時(shi)調(tiao)整(zheng)自(zi)已(yi)的(de)狀(zhuang)態(tai)來(lai)符(fu)合(he)運(yun)算(suan)需(xu)求(qiu)的(de)可(ke)能(neng)性(xing)。這(zhe)點(dian)，再(zai)搭(da)配(pei)上(shang)憶(yi)阻(zu)器(qi)的(de)記(ji)憶(yi)能(neng)力(li)
，代(dai)表(biao)著(zhe)運(yun)算(suan)電(dian)路(lu)和(he)記(ji)憶(yi)電(dian)路(lu)將(jiang)可(ke)同(tong)時(shi)共(gong)存(cun)
，而(er)且(qie)隨(sui)需(xu)要(yao)調(tiao)整(zheng)。這(zhe)已(yi)經(jing)完(wan)全(quan)超(chao)出(chu)了(le)這(zhe)一(yi)代(dai)電(dian)腦(nao)的(de)設(she)計(ji)邏(luo)輯(ji)
，可(ke)以(yi)朝(chao)這(zhe)條(tiao)路(lu)發(fa)展(zhan)下(xia)去(qu)的(de)話(hua)，或(huo)許(xu)代(dai)表(biao)著(zhe)新(xin)一(yi)代(dai)的(de)智(zhi)慧(hui)機(ji)器(qi)人(ren)的(de)誕(dan)生(sheng)。

　　不過這些都是未來的事了。HP 的目標訂的還算含蓄，隻答應在 2013 年時，生產出與當世代的 Flash 同等價格
，但兩倍容量的憶阻器記憶裝置。對大部份人來說
，這個轉變會是相當低調的 -- 就像芯片製程已經一步步地降到了 24nm，但是對一般人來說，CPU 或是內存、隨身碟一直都長那個樣子，沒有在變。隻是在裏麵
，憶阻器和 Crossbar Latch 的組合代表的是電腦科技的全新進展
，或許能讓我們再一次延續摩爾定律的生命，朝向被機器人統治的未來前進。