Dặm đường khám phá điện trở nhớ – Phần 3

Phần 1 2 3

Chúng tôi như phát điên khi xem các biểu đồ của Chua. Giờ thì chúng tôi có bằng chứng rõ ràng rằng trở kháng nhớ có liên quan tới những chiếc công tắc của mình. Nhưng mà cụ thể ra sao? Tại sao các linh kiện cỡ phân tử của chúng tôi lại có liên quan tới mối liên hệ giữa điện tích và từ thông? Tôi không thể nào liên kết chúng lại được. Hai năm trôi qua, cứ thỉnh thoảng tôi lại đọc lại bài báo của Chua, và cứ mỗi lần như vậy tôi lại hiểu ý tưởng của ông hơn một chút. Tuy vậy các thí nghiệm chúng tôi làm vẫn chỉ ở mức thử nghiệm. Cố lắm thì chúng tôi cũng chỉ có thể làm thật nhiều linh kiện rồi kiểm thử xem cái nào hoạt động tốt.

Dù vậy thì những thất bại của chúng tôi cũng không hẳn là vô ích, đến năm 2004 chúng tôi đã tìm được cách “giải phẫu” những linh kiện sandwich này. Chúng tôi phát triển được một thiết bị có thể tháo tung các linh kiện nhỏ xíu này ra để chúng tôi điều tra tỉ mỉ. Khi bị tách ra, những chiếc bánh sandwich nhỏ xíu này bị chia cắt ở phần yếu nhất: lớp phân tử công tắc. Lần đầu tiên chúng tôi được thấy những điều đang diễn ra ở bên trong những linh kiện này. Chúng tôi bị choáng vì cấu trúc thật của thiết bị không như dự định phát triển ban đầu. Xin nhắc lại là chúng tôi chế tạo một cái sandwich trong đó 2 lớp điện cực platinum thì là 2 lớp bánh mỳ, còn kẹp ở giữa là 3 lớp: một lớp platinum diôxít, một lớp các phân tử công tắc mỏng, và một lớp titanium mỏng.

Nhưng đó không phải là điều mà chúng tôi thấy được. Dưới lớp phân tử công tắc, thay vì lớp platinum diôxít thì lại chỉ có platinum tinh khiết. Bên trên lớp phân tử công tắc, thay vì lớp titanium, chúng tôi lại thấy một lớp titanium diôxít không đáng có. Hóa ra titanium đã hút lấy hết phần oxy trong platinum diôxít! Bằng cách nào đó, các phân tử oxy đã đi xuyên qua lớp phân tử công tắc rồi bị titanium hấp thu. Điều thực sự đáng ngạc nhiên là các phân tử công tắc không bị xáo trộn đáng kể vì việc này – chúng vẫn nằm ngay ngắn và  hoàn toàn nguyên vẹn, và chính điều đó khiến cho chúng tôi tin rằng các phân tử này phải đóng một vai trò quan trọng trong linh kiện này.

Cấu trúc hoá học của những linh kiện chúng tôi làm ra lại không hề giống với những gì chúng tôi tưởng trước đó. Chất titanium diôxít, một hợp chất bền vững có trong kem chống nắng và sơn trắng, lại không chỉ đơn giản là một titanium diôxít thường thấy. Lớp vật liệu này tự chia ra thành hai lớp có thành phần hóa học khác nhau. Lớp nằm cạnh các phân tử công tắc thì đơn thuần là TiO₂, hay nói cách khác tỷ lệ số nguyên tử oxy và titanium chính xác là 2/1. Nhưng gần về phía điện cực platinum thì titanium diôxít bị thiếu một lượng nhỏ oxy, khoảng từ 2 tới 3%. Chúng tôi gọi chất này là titanium diôxít thiếu oxy TiO_2-x, với x vào khoảng 0.05.

Cấu trúc hóa học thực tế của linh kiện chữ thập do nhóm của Williams phát triển.

Do không hiểu rõ điều này nên trước đó chúng tôi toàn làm thí nghiệm ngược. Tất cả những lần tôi cố gắng thay đổi trạng thái của công tắc, tôi đã dùng điện áp với phân cực bị ngược. Nói cách khác là tôi dự đoán rằng điện áp dương sẽ tắt công tắc và điện áp âm sẽ bật nó lên. Nhưng trong thực tế thì ngược lại.

Đã tới lúc cần hiểu kỹ hơn về titanium diôxít. Người trong giới nghiên cứu vẫn thường nói đùa rằng cứ 3 tuần làm việc trong phòng thí nghiệm sẽ giúp bạn tiết kiệm được 1 ngày trong thư viện. Tháng 8/2006, tôi tìm được khoảng 300 bài báo khoa học về titanium diôxít. Tôi thấy mỗi cộng đồng nghiên cứu về hợp chất này lại có cách mô tả riêng về nó. Đến cuối tháng đó thì mọi sự cũng rõ ràng. Cuối cùng thì tôi cũng hiểu được nguyên lý hoạt động của linh kiện của mình. Tôi hiểu được tại sao chúng tôi lại có một chiếc điện trở nhớ. Lớp phân tử công tắc nằm giữa chiếc bánh sandwich chẳng liên quan gì tới hoạt động bật tắt. Thay vào đó, nó kiểm soát luồng oxy từ platinum diôxít tới lớp titanium để tạo ra hai lớp TiO₂ và TiO_2-x khá đồng nhất. Lớp kép gồm hai loại diôxít này là mấu chốt trong hoạt động bật tắt của linh kiện. TiO₂ thì cách điện (thực chất là một chất bán dẫn) còn TiO_2-x thì dẫn điện, do các vị trí thiếu oxy có khả năng cho đi electron và làm cho bản thân chúng có điện tích dương (*). Phần ôxít thiếu oxy có thể coi như là các bọt khí (lỗ trống/hổng) trong một cốc bia, nhưng các bọt khí này không nổ mà chúng chỉ có thể bị đẩy lên hay xuống tùy ý do chúng có mang điện tích.

Tới lúc này thì tôi đã có thể dự đoán được chiều bật tắt của linh kiện. Một điện áp dương được đặt lên điện cực ở phía trên của linh kiện sẽ đẩy các phân tử ôxít thiếu oxy TiO_2-x (do chúng có điện tích dương) xuống lớp TiO₂ tinh khiết. Quá trình này biến lớp TiO₂ thành TiO_2-x và khiến cho nó trở nên dẫn điện, do đó bật công tắc lên. Một điện áp âm sẽ có tác dụng ngược lại: các phân tử TiO_2-x bị hút ngược trở lại, ra khỏi TiO₂, bởi vậy độ dày của lớp TiO₂ tăng lên và công tắc chuyển sang trạng thái tắt. Chính chúng tôi đã quan sát được chiều bật tắt này hàng năm mà không thể lý giải nổi.

Ngày 20/08/2006, tôi thiết lập được hai phương trình quan trọng nhất trong sự nghiệp của mình-một phương trình giải thích mối quan hệ giữa dòng điện và điện thế của mạch điện này, một phương trình mô tả nguyên tắc chuyển động của các phân tử TiO_2-x khi có điện áp trên các điện cực-do vậy, lần đầu tiên viết ra được một công thức của trở kháng nhớ theo các thuộc tính của vật liệu. Điều này mang lại một cách hiểu mới mẻ. Trở kháng nhớ xuất hiện trong một chất bán dẫn khi cả electron và các hạt tạp chất có điện tích bị buộc di chuyển cùng lúc dưới tác động của một điện áp. Thực ra trong trường hợp này, trở kháng nhớ không thực sự liên quan tới từ trường; tích phân của điện áp cho biết các hạt tạp chất (dopant) di chuyển bao xa và do đó thể hiện mức độ thay đổi trở kháng của linh kiện.

Cuối cùng thì chúng tôi cũng có một mô hình để chế tạo các công tắc mà tới lúc này chúng tôi đã có thể khẳng định là điện trở nhớ. Giờ đây chúng tôi có thể sử dụng toàn bộ các lý luận do Chua xây dựng nên trong việc thiết kế các mạch điện có sử dụng linh kiện mới này.

Tôi tự hào trình bày các kết quả với nhóm nghiên cứu của mình và lập tức tuyên bố rằng chúng tôi cần loại bỏ ngay các lớp phân tử công tắc ra khỏi linh kiện. Hoài nghi sau nhiều năm gian khó và các giả thuyết sai lầm, cả nhóm nhắc nhở tôi rằng chúng tôi đã thử nghiệm với các mẫu không có các lớp phân tử công tắc cho từng linh kiện đã được chế tạo, chẳng có mẫu nào bật tắt (hoạt động) được. Hoá ra là việc tìm được công thức chế tạo đúng cũng khá phức tạp. Chúng tôi cần tìm được lượng titanium và oxy chính xác để chúng có thể hoạt động như mong đợi. Tới thời điểm tìm ra công thức đó thì chúng tôi đều đã mất kiên nhẫn. Thực tế thì thời gian mà chúng tôi bỏ ra để có được linh kiện đầu tiên hoạt động lâu tới mức tôi đã suýt quyết định đưa lớp phân tử công tắc vào lại linh kiện do chán nản.

Một tháng sau thì mọi việc trở nên trôi chảy. Không những chúng tôi có các linh kiện hoạt động tốt, chúng tôi còn có thể cải thiện hay thay đổi các đặc tính của chúng tùy thích.

Tuy vậy, vinh quang thực sự lại ở điểm này. Trở kháng của các linh kiện này giữ nguyên mặc cho chúng tôi tắt điện áp điều khiển hay chỉ đọc trạng thái của chúng (bằng cách sử dụng một điện áp nhỏ tới mức mà trở kháng của linh kiện không bị thay đổi). Các phân tử thiếu oxy không di chuyển tự do mà giữ nguyên vị trí cho tới khi chúng tôi lại áp điện áp điều khiển âm hoặc dương lên linh kiện. Đó chính là trở kháng nhớ: các linh kiện ghi nhớ trạng thái hiện tại của chúng. Chúng tôi đã hiện thực hóa được linh kiện điện trở nhớ kỳ bí trong bài báo của Chua.

Chua đã chứng minh rằng để lặp lại được đặc tính hoạt động tương tự như của một điện trở nhớ cần tới ít nhất 15 transistor và các phần tử thụ động khác. Chi tiết này cho thấy ý nghĩa to lớn của phát minh này: thử tưởng tượng xem bao nhiêu loại mạch điện sẽ được cải thiện đáng kể  bằng cách thay thế một nhóm transistor bằng một điện trở nhớ duy nhất.

Lộ trình ứng dụng của điện trở nhớ theo nhận định của HP Labs.

Các loại bộ nhớ máy tính là được hưởng lợi rõ rệt nhất. Ở trạng thái ban đầu, một bộ nhớ dạng chữ thập chỉ gồm các công tắc mở, và không có thông tin nào được lưu trên đó. Nhưng bạn có thể lưu trữ một khối lượng dữ liệu lớn một cách gọn gàng và hiệu quả khi bắt đầu đóng các công tắc lại. Không giống như các tụ điện trong DRAM thông thường vốn sẽ mất lượng điện tích nó lưu khi nguồn điện của con chíp bị mất, do điện trở nhớ ghi nhớ được trạng thái của chúng nên chúng có thể lưu dữ liệu mãi mãi và chỉ tiêu tốn năng lượng trong quá trình chuyển đổi hay đọc trạng thái của một công tắc cụ thể. Hơn thế nữa, các dây dẫn và công tắc có thể được làm ở mức rất nhỏ; chúng ta dần dần sẽ có thể thu nhỏ chúng xuống mức khoảng 4nm, và rồi các cấu trúc chữ thập có thể được xếp chồng lên nhau để tạo nên một bộ nhớ có mật độ lưu trữ dữ liệu rất cao.

Greg Snider và tôi công bố một bài báo khoa học vào năm ngoái [2007] trong đó có trình bày rằng các điện trở nhớ có thể cải thiện đáng kể một loại mạch kỹ thuật số gọi là FPGA (field-programmable gate array). Chỉ cần thay một vài transistor cụ thể bằng các điện trở nhớ chữ thập, chúng tôi cho thấy có thể thu nhỏ kích thước mạch gần 10 lần, đồng thời cải thiện cả tỷ lệ tốc độ trên công suất tiêu hao. Hiện tại, chúng tôi đang tiến hành thử nghiệm một nguyên mẫu của mạch này.

Thêm nữa, chế tạo các điện trở nhớ cũng không hề khó. Chất titanium diôxít có thể được tạo ra trong bất kỳ nhà máy sản xuất bán dẫn (semiconductor fab) nào. Thực tế thì mạch phức hợp của chúng tôi được chế tạo trong một nhà máy sản xuất hộp mực máy in của HP. Trở ngại chính của việc sản xuất các chíp phức hợp có chứa điện trở nhớ là hiện tại chỉ có vài người trên thế giới có chút ý niệm về việc thiết kế mạch có sử dụng linh kiện này. Tôi muốn nhấn mạnh thêm ở đây là điện trở nhớ sẽ không bao giờ thay thế được nhu cầu về transistor: các linh kiện thụ động và mạch điện cần sử dụng các linh kiện tích cực như transistor để cấp nguồn.

Tiềm năng của điện trở nhớ còn lớn hơn nhiều so với việc cải tiến vài con chíp FPGA. Tôi có nhắc vài lần tới sự tương đồng giữa điện trở nhớ và các khớp thần kinh. Hiện tại, Greg đang thiết kế các mạch mới có thể bắt chước các hoạt động của bộ não. Các tế bào thần kinh (neuron) được giả lập bằng các transistor, các dây thần kinh (axon) là các nanowire có cấu trúc chữ thập, còn các khớp thần kinh thì là các điện trở nhớ nằm ở các phần giao cắt của các axon. Một mạch điện như thế này có thể phân tích dữ liệu từ nhiều cảm biến trong thời gian thực. Thử tưởng tượng một hệ thống cơ sở hạ tầng thông minh có thể giám sát tình trạng của các cây cầu. Sẽ tiết kiệm được bao nhiêu tiền-và cứu được bao nhiêu mạng người đây?

Tôi tin tưởng rằng cuối cùng thì điện trở nhớ sẽ thay đổi một cách triệt để hoạt động thiết kế mạch trong thế kỷ 21 tương tự như cách transistor đã làm trong thế kỷ 20. Chớ quên là transistor cũng chỉ vật vờ trong sự tò mò của giới học thuật cả chục năm mãi cho tới năm 1956, khi một ứng dụng đột phá là máy trợ thính đã đưa nó ra thị trường đại trà. Tôi đoán là ứng dụng đột phá của điện trở nhớ sẽ được phát minh bởi một sinh viên tò mò đang băn khoăn xem nên học môn Kỹ thuật Điện tử nào vào năm tới.

Tác giả:

R. Stanley Williams, là một nhà nghiên cứu cao cấp tại Trung tâm nghiên cứu Hewlett-Packard (HP Labs). Đầu năm 2008, ông và các đồng nghiệp làm rung chuyển cộng đồng Kỹ thuật Điện tử với việc giới thiệu phần tử mạch cơ bản thứ tư, điện trở nhớ. Sự tồn tại của phần tử này được tiên đoán bởi một IEEE Fellow là Leon Chua ở Đại học California vào năm 1971. Tuy vậy, Williams phải mất 12 năm mới tạo ra được linh kiện thực của phần tử mạch này.

(*) Chú thích của người dịch:
Trong cấu trúc có cả TiO₂ và TiO_2-x này, TiO₂ là chất bán dẫn và TiO_2-x là tạp chất (dopant) (tương tự như silicon là chất bán dẫn và boron/phosphorus là tạp chất). Khi tạp chất vào trong chất bán dẫn thì nó sẽ cho đi hoặc nhận thêm electron. Trong trường hợp TiO_2-x thì vì oxy bị thiếu còn Ti thừa nên khả năng cho/nhận tuỳ thuộc vào Ti (sau khi tất cả các oxy đã liên kết với Ti thì vẫn còn một lượng Ti chưa liên kết). Ti là chất cho electron. Các electron ở lớp ngoài cùng của Ti sẽ tách ra để trở thành hạt dẫn điện chính (major carrier) còn bản thân Ti (hay TiO2-x) sẽ trở thành các phần tử tạp chất mang điện tích dương (charged dopant).

• 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