Dặm đường khám phá điện trở nhớ – Phần 2

Phần 1 2 3

Tất cả chỉ là do kích cỡ. Giờ thì chúng tôi biết rằng trở kháng nhớ là đặc tính nội tại có trong bất kỳ mạch điện nào. Sự tồn tại của nó đáng lẽ ra đã được Gustav Kirchhoff hay James Clerk Maxwell phát hiện ra nếu, vào những năm 1800, họ xét tới những mạch điện phi tuyến. Tuy vậy kích thước của các linh kiện điện tử được chế tạo trong suốt hai thế kỷ qua đã ngăn trở việc quan sát hiệu ứng này trong thực nghiệm. Hóa ra mức độ ảnh hưởng của trở kháng nhớ tỷ lệ nghịch với bình phương của kích thước: trở kháng nhớ ở mức nano-mét mạnh gấp 1 triệu lần trở kháng nhớ ở mức micro-mét, và nó gần như không thể quan sát được đối với kích thước ở mức mili-mét trở lên. Khi chúng ta làm cho các linh kiện ngày càng nhỏ đi thì hiệu ứng trở kháng nhớ càng trở nên dễ nhận thấy hơn, và trong một số trường hợp nó còn là hiệu ứng chính. Đây chính là nguồn gốc của tất cả những kết quả kỳ quặc mà các nhà khoa học đã mô tả. Trở kháng nhớ vẫn luôn ẩn nấp ngay trước mắt chúng ta. Mặc cho tất cả những manh mối này, việc chúng tôi phát hiện ra được điện trở nhớ lại hoàn toàn là ngẫu nhiên.

Năm 1995, tôi được tuyển vào HP Labs để xây dựng một nhóm làm nghiên cứu cơ bản như đề xuất của David Packard. Ông cho rằng công ty đã trở nên đủ lớn để giành riêng một nhóm nghiên cứu thực hiện các dự án dài hạn mà không bị chi phối bởi các nhu cầu tức thì của bộ phận kinh doanh. Packard có một quan điểm cao cả rằng HP nên “đóng góp trở lại kho kiến thức khoa học cơ bản mà HP vẫn luôn hưởng lợi từ đó.” Ngoài ra ông biết rằng nghiên cứu dài hạn có thể là chiến lược cơ bản để phát triển công nghệ và tạo ra các phát minh và, trong tương lai, sẽ trực tiếp sinh lời cho HP. HP cấp cho tôi một ngân quỹ để chi tiêu cùng với bốn nhà nghiên cứu. Nhưng ngoài gợi ý về hướng ‘điện tử có kích cỡ ở mức phân tử’ và rằng chúng tôi nên có một vài kết quả hữu dụng trong khoảng 10 năm thì tôi được tự do theo đuổi bất kỳ chủ để nào mà nhóm muốn. Chúng tôi quyết định chọn Luật Moore.

Vào thời đó, bong bóng dot-com vẫn còn đang phình to nhanh chóng, hướng tới một vụ nổ ra trò, còn lộ trình phát triển của ngành bán dẫn chưa mở rộng quá năm 2010. Kích cỡ tối thiểu của transistor trong chíp tích hợp vẫn ở mức 350 nano-mét, do vậy chúng ta còn khá nhiều thời gian cho tới khi các kích thước ở mức nguyên tử trở thành giới hạn đối với việc thu nhỏ các transistor hơn nữa. Dù vậy đi chăng nữa thì rõ ràng là Luật Moore rồi cũng phải tới hồi kết. Tới một lúc nào đó các nhà nghiên cứu bán dẫn sẽ phải đối mặt với các giới hạn về mặt vật lý trong quá trình thu nhỏ transistor, chính vì lý do hiển nhiên là transistor không thể nhỏ hơn một nguyên tử được. (Ngày nay các transistor nhỏ nhất trong các mạch tích hợp rộng khoảng 45nm, tương đương với khoảng 220 nguyên tử silicon.)

Có lần tôi trò chuyện với Phil Kuekes, người chủ trì Teramac (máy tính đa kiến trúc có thể thực hiện một ngàn tỷ phép tính trong một giây) – một siêu máy tính được xây dựng thử nghiệm chủ yếu bằng các phần máy cũ nát  tại HP Labs, chỉ để cho mọi người thấy rằng việc này là khả thi. Ông cho chúng tôi ý tường về việc phát triển một kiến trúc có thể làm việc ngay cả khi một số lượng lớn linh kiện trong mạch bị hỏng giữa chừng. Chúng tôi không biết cụ thể những linh kiện này sẽ ra sao, nhưng mục tiêu của chúng tôi là những mạch điện sẽ vẫn tiếp tục trở nên tốt hơn ngay cả khi các linh kiện trở nên nhỏ tới mức mà việc chúng bị hư hỏng được xem là bình thường. Chúng tôi ăn hết không biết bao nhiêu pizza, uống hết không biết bao nhiêu bia để tán gẫu về hình hài của linh kiện siêu nhỏ bí hiểm này.

Khi đó, chúng tôi đang thiết kế một thứ mà nó có thể chẳng có ích gì trong vòng 10 tới 15 năm nữa. Tới lúc đó các linh kiện có thể sẽ thu nhỏ tới mức phân tử hoặc thậm chí chúng là các phân tử như David Packard mường tượng. Ngoài hướng bắt chước ý tưởng về Teramac ở cấp nano chúng tôi không nghĩ ra được cách nào tốt hơn để dự đoán về điều này. Chúng tôi quyết định rằng dạng trừu tượng đơn giản nhất của Teramac là cấu trúc thanh chữ thập (crossbar – các thanh ngang nằm vuông góc với nhau). Nhờ vào tính đơn giản, khả năng thích ứng cao, và khả năng dự phòng cao, cấu trúc này sau đó đã trở thành tiêu chuẩn không chính thức cho các mạch ở mức kích cỡ nano.

Cấu trúc chữ thập: Một cấu trúc điện trở nhớ, được dùng để chế tạo các bộ nhớ máy tính có dung lượng lớn và độ tin cậy cao, trong một tấm hình chụp bằng kính hiển vi STM (Scanning Tunneling Microscope). Nguồn: R. Stanley Williams, HP Labs.

Cấu trúc chữ thập là một mảng các dây dẫn nằm vuông góc với nhau. Tại mỗi điểm giao cắt của hai dây, chúng được kết nối với nhau bởi một công tắc. Để kết nối một dây dẫn nằm ngang với một dây nằm dọc, ta phải đóng chiếc công tắc nằm giữa chúng. Ý định của chúng tôi là đóng hay mở những chiếc công tắc này bằng cách đặt các điện áp khác nhau vào các đầu của những dây dẫn này. Cần lưu ý rằng, một dãy các cấu trúc chữ thập thực ra là một hệ thống lưu trữ dữ liệu mà trong đó một công tắc mở tương đương với một số 0 và công tắc đóng là một số 1. Chúng ta đọc dữ liệu bằng cách dò (kiểm tra) công tắc này bằng một điện áp nhỏ.

Cũng giống như bất kỳ thứ gì ở mức kích thước nano mét, trong số các công tắc và dây dẫn rất dễ có các phần tử bị hỏng. Những phần tử này có độ rộng chỉ bằng vài nguyên tử, và định luật thứ hai của nhiệt động lực học chỉ rõ rằng chúng ta sẽ không thể xác định cụ thể vị trí của từng nguyên tử. Tuy vậy, kiến trúc kiểu chữ thập có sẵn cơ chế dự phòng bằng việc cho phép ta đi vòng qua bất kỳ phần mạch hư hỏng nào. Do tính đơn giản của các dãy cấu trúc chữ thập nên chúng có mật độ công tắc cao hơn nhiều so với các mạch điện sử dụng transistor.

Tuy nhiên chế tạo một hệ thống lưu trữ như vậy thì lại là chuyện nói dễ hơn làm. Kể từ tận những năm 1950 tới nay đã có rất nhiều nhóm nghiên cứu làm việc theo hướng bộ nhớ kiểu giao điểm như thế này. Nhưng dù đã trải qua 40 năm nghiên cứu, họ vẫn không đưa được sản phẩm nào ra thị trường. Dẫu vậy, họ vẫn không ngừng nỗ lực nghiên cứu. Lý do là tiềm năng to lớn của một hệ thống bộ nhớ dạng chữ thập ở mức nano-mét; bạn thử tưởng tượng việc mang theo toàn bộ nội dung của Thư viện Quốc hội Mỹ (Library of Congress) trong một bộ nhớ USB.

Một trong những trở ngại chính mà các bộ nhớ kiểu chữ thập trước đây gặp phải là tỷ lệ điện trở tắt/mở nhỏ của các công tắc (trong 40 năm nghiên cứu chưa bao giờ đạt được kết quả nào tốt hơn tỷ lệ 2 hoặc 3). Trong khi đó các transistor hiện đại có tỷ lệ điện trở tắt/mở vào khoảng 10 000/1. Các tính toán của chúng tôi cho thấy để có thể xây dựng được một bộ nhớ hiệu năng cao thì các công tắc cần đạt được tỷ lệ này ở mức 1000/1. Nói cách khác, trong trạng thái tắt, công tắc phải có mức trở kháng gấp 1000 lần khi nó ở trạng thái mở. Cơ chế nào có thể đạt được mức tỷ lệ như vậy cho một linh kiện ở mức nano-mét?

Chúng tôi tìm được lời giải trong công nghệ kính hiển vi STM (Scanning tunneling microscopy), một lĩnh vực nghiên cứu mà tôi đã theo đuổi trong vòng một thập niên. Một chiếc kính hiển vi STM tạo ra các bức hình có độ phân giải ở mức nguyên tử bằng cách quét một chiếc kim rất sắc trên một bề mặt đồng thời đo dòng điện chạy giữa mũi kim và bề mặt này. Kinh nghiệm cho thấy là đưa mũi kim vào gần bề mặt thêm 0,1nm sẽ làm tăng cường độ dòng điện lên 10 lần.

Chúng tôi cần một cơ chế tương tự để có thể thay đổi khoảng cách hiệu dụng giữa hai dây dẫn của linh kiện chữ thập 0.3nm. Nếu làm được điều này, chúng tôi sẽ đạt được tỷ lệ chuyển đổi điện 1000/1 cần thiết.

Các ràng buộc cho bài toán của chúng tôi càng lúc càng trở nên kỳ cục. Kiếm đâu ra loại vật liệu có thể thay đổi kích thước vật lý như vậy? Đây chính là lý do chúng tôi thâm nhập vào lĩnh vực điện tử phân tử.

Về mặt khái niệm, linh kiện của chúng tôi như là một chiếc bánh mỳ kẹp (sandwich) siêu nhỏ. Hai điện cực (hay hai dây dẫn đan chéo nhau) platinum ở hai phía của linh kiện đóng vai trò như hai miếng bánh mỳ. Chúng tôi ôxy hóa bề mặt của dây dẫn platinum phía dưới, tạo ra một lớp platinum diôxít có khả năng dẫn điện tốt. Tiếp đó chúng tôi chế tạo một tấm phim, có độ dày chỉ bằng một phân tử, dày đặc các phân tử công tắc được thiết kế một cách đặc biệt. Bên trên cấu trúc đơn lớp này chúng tôi đổ lên một lớp kim loại titanium dày từ 2 tới 3 nm, lớp kim loại này có liên kết rất chặt với các phân tử công tắc và gắn kết chúng lại với nhau. Trên cùng là lớp điện cực bằng platinum.

Các phân tử công tắc được thiết kế để hoạt động như những công tắc thật sự. Chúng tôi chế tạo một lượng lớn linh kiện này, và thử nghiệm với rất nhiều loại phân tử và cấu trúc lạ, bao gồm cả phân tử công tắc có tên là rotaxane, được thiết kế bởi James Heath và Fraser Stoddart ở Đại học California, Los Angeles. Công tắc rotaxane có cấu trúc như một hạt cườm được xâu vào một đoạn chuỗi hạt, với một điện áp thích hợp thì hạt cườm sẽ trôi từ một đầu qua tới đầu kia của đoạn chuỗi hạt, tạo ra sự thay đổi về mức dẫn điện của phân tử, tùy thuộc vào chiều chuyển động của hạt. Các linh kiện của Heath và Stoddart sử dụng các điện cực silicon và có thể hoạt động được nhưng không đủ tốt cho các ứng dụng công nghệ. Tỷ lệ điện trở tắt/bật chỉ vào khoảng 10 lần, tốc độ chuyển trạng thái (bật/tắt) chậm, và các linh kiện hay tự động tắt đi sau 15 phút hoạt động.

Các linh kiện platinum của chúng tôi cho kết quả rất đáng nản. Khi một công tắc hoạt động thì thật tuyệt vời: tỷ lệ trở kháng tắt/bật vượt quá cả mức 1000, các linh kiện chuyển đổi trạng thái nhanh tới mức chúng tôi không đo nổi, trạng thái trở kháng của các linh kiện giữ ở mức ổn định trong nhiều năm (chúng tôi vẫn thỉnh thoảng kiểm thử một vài linh kiện thuộc thế hệ ban đầu và chưa bao giờ ghi nhận những thay đổi trở kháng đáng kể nào). Tuy vậy những kết quả tuyệt vời của chúng tôi lại không nhất quán. Tệ hơn nữa, việc thành hay bại của một linh kiện dường như chẳng bao giờ phụ thuộc vào cùng một yếu tố.

Chúng tôi không có mô hình vật lý về cách hoạt động của những linh kiện này. Do vậy, thay vì tiến hành nghiên cứu dựa trên lý trí (có định hướng rõ ràng) thì chúng tôi phải làm việc theo kiểu loại trừ Edison, thay đổi chỉ một tham số trong khi giữ nguyên các tham số khác. Ngay cả các phân tử công tắc của chúng tôi cũng làm loạn; dường như là chúng tôi có thể sử dụng loại phân tử nào cũng được. Thậm chí có lúc chúng tôi còn dùng tới các chuỗi acid béo dài, về bản chất là xà phòng, làm các phân tử công tắc trong các linh kiện của mình. Chẳng có gì có thể bật tắt trong xà phòng cả nhưng mà một số công tắc loại này lại hoạt động cực tốt. Chúng tôi còn chế tạo các linh kiện điều khiển mà không dùng tới các lớp đơn phân tử. Nhưng chẳng có linh kiện nào bật tắt được.

Chúng tôi đã rất chán chường và mệt mỏi. Lúc đó đã là năm 2002, năm nghiên cứu thứ sáu của chúng tôi. Chúng tôi có thiết bị có thể hoạt động, nhưng lại không hiểu nổi nguyên lý hoạt động, không thể mô hình hóa nó, và rõ ràng là không thể thay đổi nó theo ý của mình. Đó chính là lúc Greg Snider, cùng làm việc với Kuekes trong dự án Teramac, cho tôi xem bài báo về memristor của Chua đăng tại IEEE Transactions on Circuits Theory vào tháng 9/1971. “Chẳng biết các anh đang phát triển cái gì,” anh ta nói với tôi, “nhưng đây là thứ tôi muốn.”

Cho tới lúc này tôi vẫn không biết tại sao Greg lại vớ được bài báo đó. Rất ít người đã đọc, còn ít người hơn nữa hiểu nó, và còn ít người hơn nữa trích dẫn nó. Tính tới lúc này, bài báo đã 31 tuổi và rõ ràng là chuẩn bị trở nên hoàn toàn vô dụng. Tôi ước là tôi chỉ cần ngó qua rồi gào lên “Eureka!” nhưng thực tế là bài báo nằm trên bàn  làm việc của tôi hàng tháng trời cho tới khi tôi bắt đầu đọc thử. Khi tôi thực sự tìm hiểu nó, tôi thấy rằng các khái niệm và công thức rất mới lạ và khó hiểu. Dẫu vậy, tôi vẫn cố theo đuổi do có một điều khiến tôi chú ý, cũng giống như đối với Greg: Chua có kèm theo một biểu đồ trông khá giống với dữ liệu thực nghiệm mà chúng tôi thu được.

Biểu đồ này mô tả mối quan hệ dòng điện-điện áp của điện trở nhớ của Chua. Chua gọi chúng là các “vòng trễ bó” (pinched-hysteresis loop), còn chúng tôi gọi mối tương quan dòng điện-điện áp (I-V) là “cà vạt nơ”(bow tie). Một vòng trễ bó trông giống như một ký tự vô tận (∞) nằm chéo trên biểu đồ I-V và có tâm trùng với gốc tọa độ. Điện áp bắt đầu tăng từ 0 tới giá trị dương cực đại, rồi giảm tới giá trị âm cực tiểu rồi tiếp tục trở về 0. Các biểu đồ “cà vạt nơ” của chúng tôi gần giống hệt như vậy.

Biểu đồ I-V hình “cà vạt nơ” đặc trưng của điện trở nhớ.

Chưa hết, lượng điện trở thay đổi đo được trên các linh kiện của chúng tôi còn phụ thuộc vào thời gian điện áp được duy trì trên linh kiện: càng duy trì điện áp dương lâu thì điện trở tối thiểu đạt được càng nhỏ. Và ngược lại, càng duy trì điện áp âm lâu thì điện trở tối đa đạt được càng cao. Khi điện áp bị ngắt, giá trị điện trở trước đó của linh kiện được giữ nguyên cho tới khi chúng tôi thay đổi giá trị của nó bằng cách đặt một điện áp mới lên nó. Đặc tính I-V này được gọi là vòng trễ, một đặc tính giống một cách đáng ngạc nhiên với cách các khớp thần kinh hoạt động: các liên kết thần kinh giữa các neuron có thể được làm mạnh lên hay yếu đi tùy thuộc vào chiều, độ lớn và thời gian của một tín hiệu hóa hay điện. Đó không phải là cung cách hoạt động của các mạch điện ngày nay.

• Nguyên bản tiếng Anh: “How We Found the Missing Memristor,” R. Stanley Williams, IEEE Spectrum Magazine,  12/2008
• Người dịch: Phạm Duy Đông
• Biên tập: Tạ Minh Chiến