Dặm đường khám phá điện trở nhớ – Phần 1

By / / Bán dẫn, Bộ nhớ, Công nghệ nano, Linh kiện điện tử, Thiết kế / Bình luận về bài viết này

Phần 1 2 3

Điện trở nhớ (memristor) – có chức năng tương tự như một khớp thần kinh (synapse) – có thể tạo nên một cuộc cách mạng trong lĩnh vực thiết kế mạch.

Máy biết tư duy: Một cách hình dung về điện trở nhớ với nhiều lớp cấu trúc chữ thập (crossbar) – cấu trúc vật lý cơ bản của phần tử mạch do R. Stanley Williams phát minh. Do điện trở nhớ hoạt động tương tự như các khớp thần kinh nên chỉ cần thay thế vài transistor trong một mạch điện bằng điện trở nhớ là có thể giúp cho mạch này tư duy như một bộ não người. Nguồn: Bryan Christie Design.

Đã tới lúc ngừng việc thu nhỏ mọi thứ lại rồi. Luật Moore, nỗi ám ảnh của ngành công nghiệp bán dẫn trong việc thu nhỏ kích cỡ transistor, nhờ đó nhân đôi số lượng các phần tử mạch này trên một con chíp theo chu kỳ khoảng hai năm, là nguồn gốc của cuộc cách mạng về công nghệ và kinh tế trong suốt 50 năm qua. Dù cho quá trình thu nhỏ này có thể kéo dài thêm 5 hay 15 năm nữa thì rồi nó cũng phải kết thúc. Trọng tâm trong thiết kế mạch điện sẽ phải chuyển sang các phần tử mạch không chỉ ngày càng nhỏ mà còn phải ngày càng hữu dụng.

Đầu năm nay [2008], tôi và các đồng nghiệp tại Hewlett-Packard Labs, Palo Alto, California, đã gây ngạc nhiên cho cộng đồng công nghiệp điện tử với một ứng cử viên đầy hứa hẹn cho một phần tử mạch như vậy: điện trở nhớ. Lý thuyết về phần tử mạch này đã có từ gần 40 năm nay, nhưng do không ai có thể chế tạo được phần tử như vậy, nên nó đã trở thành một thú tò mò cá nhân hơn là một chủ đề nghiên cứu nghiêm túc. Mọi sự đã thay đổi vào ngày 01/05/2008, khi nhóm chúng tôi công bố các chi tiết về điện trở nhớ trên tạp chí khoa học Nature.

Khi được kết hợp với các transistor trong một con chip phức hợp, điện trở nhớ có thể cải thiện đáng kể hiệu năng của các mạch số mà không cần phải thu nhỏ các transistor lại. Sử dụng các transistor hiệu quả hơn có thể giúp chúng ta duy trì Luật Moore thêm một thập niên nữa mà không cần tới quá trình nhân đôi mật độ transistor vốn đắt đỏ và ngày càng khó khăn. Về lâu dài thì điện trở nhớ thậm chí còn có thể là bước ngoặt đánh dấu sự xuất hiện của các mạch tương tự (analog) biết tính toán nhờ sử dụng kiến trúc mạch giống như kiến trúc của bộ não.

Trong vòng gần một thế kỷ rưỡi, các phần tử mạch thụ động cơ bản mà chúng ta biết tới chỉ bao gồm tụ điện (capacitor, được khám phá ra năm 1745), điện trở (resistor, 1827), và cuộn cảm (inductor, 1831). Sau đó, năm 1971, trong một bài báo khoa học xuất chúng nhưng không được đánh giá cao, Leon Chua, một giáo sư ngành kỹ thuật điện tử tại Đại học California, Berkeley (UC Berkeley), tiên đoán về sự tồn tại của phần tử cơ bản thứ tư, mà ông gọi là điện trở nhớ. Ông chứng minh rằng không thể tái hiện được cơ chế hoạt động của điện trở nhớ mà chỉ dùng tới ba phần tử kia. Do vậy mà điện trở nhớ là một phần tử mạch cơ bản.

Điện trở nhớ (memristor) là từ viết gọn của “memory resistor” vì đó chính là chức năng của nó: ghi nhớ lịch sử của bản thân. Một phần tử điện trở nhớ có hai cực, với trở kháng của nó phụ thuộc vào độ lớn, chiều phân cực và khoảng thời gian của điện thế áp lên nó. Khi bạn tắt điện thế này thì điện trở nhớ vẫn nhớ mức trở kháng ngay trước khi tắt cho tới lần bật lên kế tiếp, bất chấp việc này có xảy ra sau đó một ngày hay một năm.

Hãy tưởng tượng một điện trở giống như một cái ống dẫn nước. Nước ở đây là điện tích. Mức cản điện tích của điện trở tỷ lệ với đường kính của ống dẫn: ống càng nhỏ thì độ cản càng lớn. Trong suốt lịch sử thiết kế mạch, các điện trở luôn là những đường ống có các đường kính không đổi. Nhưng điện trở nhớ thì khác, nó là một ống dẫn có thể thay đổi đường kính tùy theo lưu lượng và chiều của dòng nước chảy qua nó. Nếu nước chảy theo hướng này, nó mở rộng ra (trở kháng giảm). Nhưng nếu nước chảy theo chiều ngược lại thì ống thu hẹp lại (trở kháng tăng). Hơn thế, điện trở nhớ còn ghi nhớ đường kính của nó khi nước không chảy qua nữa. Tắt dòng chảy thì đường kính của ống “đóng băng” cho tới lúc nước được mở trở lại.

Đặc tính “đóng băng” này làm cho điện trở nhớ rất phù hợp với bộ nhớ máy tính. Khả năng lưu giữ giá trị trở kháng mãi mãi đồng nghĩa với việc điện trở nhớ có thể được sử dụng làm bộ nhớ không bay hơi (bộ nhớ dài hạn). Như vậy nghe có vẻ không có gì to tát nhưng hãy thử tháo ngay pin của máy tính xách tay của bạn ra mà không lưu trữ, không thoát khỏi chương trình, không làm gì cả thử xem. Dĩ nhiên là bạn sẽ bị mất dữ liệu làm việc hiện tại. Nhưng nếu máy tính của bạn có sử dụng bộ nhớ làm từ điện trở nhớ thì khi bạn lắp pin lại vào máy, màn hình sẽ bật trở lại cùng với tất cả mọi thứ y như khi lúc nó chưa bị tháo pin: không phải khởi động lại dài đằng đẵng, cũng chẳng có nửa tá tập tin tự phục hồi.

Nhưng tiềm năng của điện trở nhớ không chỉ dừng lại ở việc tạo ra những chiếc máy tính có khả năng khởi động tức thì mà còn vươn xa đến mức có thể giải quyết được một trong những thách thức công nghệ lớn nhất: bắt chước các chức năng của bộ não. Trong vòng một thập niên tới, điện trở nhớ có thể giúp chúng ta giả lập hoạt động, thay vì chỉ mô phỏng, các mạng lưới các tế bào thần kinh (neuron) và các khớp thần kinh. Hiện có rất nhiều nhóm đang nghiên cứu để tạo ra một bộ não bằng silicon: dự án Blue Brain của IBM, trung tâm nghiên cứu Janelia Farm thuộc Viện Y học Howard Hughes (Howard Hughes Medical Institute), và Trung tâm Khoa học Não (Center for Brain Science) của Đại học Harvard là ba ví dụ. Tuy nhiên, kể cả việc chỉ mô phỏng một bộ não chuột trong thời gian thực đã đòi hỏi phải giải một hệ phương trình vi phân riêng phần cực lớn. Một máy tính kỹ thuật số thông thường có khả năng thực hiện được lượng tính toán khổng lồ này sẽ phải có kích cỡ khoảng ngang bằng một thành phố nhỏ, và phải cần tới vài nhà máy điện hạt nhân để cấp nguồn cho nó.

Điện trở nhớ có thể có kích thước rất nhỏ, và hoạt động giống như các khớp thần kinh. Sử dụng phần tử mạch này chúng ta sẽ có thể chế tạo được các mạch điện analog nhỏ gọn đặt vừa trong một chiếc hộp đựng giầy và hoạt động theo các nguyên tắc vật lý như của bộ não.

Một mạch điện phức hợp bao gồm cả điện trở nhớ và transistor có thể giúp chúng ta nghiên cứu chức năng cũng như các rối loạn não một cách thực tế. Một mạch điện như thế này thậm chí còn có thể là tiền đề của các cỗ máy có thể nhận biết được, giống như cách của con người, các hình mẫu, mà máy tính hiện nay không làm được –  ví dụ như nhận ra một khuôn mặt nào đó từ trong một đám đông ngay cả khi khuôn mặt này đã thay đổi khá nhiều kể từ lần cuối cùng ta thấy.

R. Stanley Williams [bên trái], một nghiên cứu viên cao cấp, và Duncan Stewart [bên phải], một nghiên cứu viên về vật lý của HP Labs giải thích về phần tử mạch cơ bản thứ tư. Williams cộng tác với gần 100 nhà khoa học và kỹ sư để khám phá ra điện trở nhớ.
Nguồn: Tạp chí IEEE Spectrum.

Câu chuyện về điện trở nhớ xứng đáng được đưa vào sách lịch sử. Khi Leon Chua, giờ là một IEEE Fellow, viết bài báo khoa học dự đoán về điện trở nhớ, ông vẫn còn là một giáo sư trẻ đang thăng tiến nhanh ở UC Berkeley. Chua đã dành nhiều năm để cố gắng xoá bỏ cái giới hạn mà ông xem là hết sức vô lý đó là việc lý thuyết mạch điện tử phải tuân theo các hệ thống tuyến tính. Ông tin rằng điện tử phi tuyến có tiềm năng lớn hơn nhiều so với các mạch tuyến tính vẫn đang thống trị công nghệ điện tử cho tới tận ngày nay.

Chua phát hiện ra một liên kết bị thiếu trong các công thức toán học cặp đôi mô tả quan hệ tương hỗ giữa bốn đơn vị định lượng cho mạch điện – điện tích, dòng điện, điện thế, và từ thông. Giữa chúng có thể có sáu mối quan hệ. Hai mối quan hệ được thể hiện qua các quy luật vật lý cơ bản của điện và từ và ba mối quan hệ khác thể hiện qua các phần tử mạch cơ bản đã biết: điện trở thể hiện mối tương quan giữa điện thế và dòng điện, cuộn cảm thể hiện liên kết giữa từ thông và dòng điện, và tụ điện thể hiện liên kết giữa điện thế và điện tích. Tuy nhiên nhóm này vẫn còn thiếu một công thức liên kết giữa điện tích di chuyển trong mạch điện và từ thông trong mạch này – mà theo định luật Faraday thì từ thông, một cách toán học, là tích phân theo thời gian của điện áp trên mạch [định luật Faraday nói rằng v=d\Phi/dt nên \Phi=\int v*dt – người dịch]. Điều này tạo nên một cuộc tranh luận sôi nổi trên Internet về tính chân thực của phần tử điện trở nhớ.

Các công thức toán học cặp đôi mô tả quan hệ tương hỗ giữa bốn đơn vị định lượng cho mạch điện – điện tích, dòng điện, điện thế, và từ thông.

Điện trở nhớ mà Gs. Chua định nghĩa hoàn toàn bằng toán học có thể tồn tại trong thực tế dưới nhiều dạng. Điều này nghĩa là sao? Thử xem xét một bộ pin và một bộ biến áp. Cả hai đều cấp một điện áp 12V DC nhưng cơ chế hoạt động của chúng lại hoàn toàn khác biệt: bộ pin thì dựa trên một phản ứng hóa học xảy ra ở trong các viên pin, trong khi đó bộ biến áp tiếp nhận một điện áp 110V AC ở ngõ vào, hạ áp xuống 12V AC, rồi chuyển đổi thành 12V DC ở ngõ ra. Kết quả đầu ra của cả hai thiết bị này hoàn toàn tương đương về mặt toán học, cả hai đều có thể dùng để chạy máy cạo râu hay điện thoại di động dù cho nguồn gốc của các điện áp 12V này hoàn toàn khác nhau.

Về mặt lý thuyết, việc điện tích có liên quan với từ thông khá là dễ hiểu, tuy nhiên không có tương tác vật lý rõ rệt nào giữa điện tích với tích phân của điện thế.

Chua chứng minh bằng toán học rằng linh kiện giả định của ông sẽ thiết lập một mối liên hệ giữa từ thông và điện tích tương tự như giữa điện áp và dòng điện ở một điện trở phi tuyến. Trong thực tế, điều này đồng nghĩa với việc trở kháng của linh kiện này thay đổi theo lượng điện tích truyền qua nó. Đồng thời, nó sẽ ghi nhớ giá trị trở kháng này ngay cả sau khi dòng điện đã bị ngắt.

Ông còn phát hiện ra một điểm khác nữa – đó là cung cách hoạt động này khiến ông liên tưởng tới cơ chế hoạt động của các khớp thần kinh trong não. Tuy vậy các nhà khoa học khác cũng đã công bố trước cả phát kiến của Chua, về điều mà họ gọi là biểu hiện dòng điện-điện áp ‘dị thường’ trong các linh kiện ở mức micromet mà họ tạo ra từ các vật liệu không phổ dụng ví dụ như các polyme hay các ôxít kim loại. Nhưng những đặc tính này lại thường bị quy cho các lý do như một phản ứng điện hóa bí ẩn, hiện tượng đánh thủng do điện áp, hay là do các nguyên nhân chưa thể xác định có liên quan đến điện áp cao mà các nhà nghiên cứu áp lên các linh kiện này.

Hóa ra thì một số lớn các báo cáo khoa học này lại là các ví dụ không được thừa nhận về trở kháng nhớ (memristance). 35 năm sau khi Chua lý thuyết hóa điện trở nhớ ở dạng toán học thuần túy, chúng tôi mới có thể tạo ra linh kiện này một cách có chủ đích tại HP Labs, và chúng tôi chỉ thực sự hiểu linh kiện này từ khoảng hai năm nay. Điều gì khiến chúng tôi mất nhiều thời gian như vậy?

Nhãn:

Bình luận về bài viết này