Điện trở nhớ - mảnh ghép còn thiếu cho cuộc cách mạng thiết bị điện tử

Ngược thời gian trở lại năm 1971, Leon Chua, một kỹ sư điện tử trẻ tại Đại học California (Mỹ) bắt đầu các nghiên cứu nhằm tìm hiểu về một khung toán học cơ bản cho khoa học điện tử. Lý thuyết của ông dựa trên mối quan hệ giữa điện tích, dòng điện, từ thông, điện áp và sự thay đổi của các đại lượng điện từ này khi chúng đi qua các phần tử mạch cơ bản của điện trở, tụ điện và cuộn cảm.

Khi có dòng điện đi qua điện trở sẽ tạo ra một điện áp. Đối với một điện áp nhất định, tụ điện sẽ lưu trữ một lượng điện tích nhất định. Và khi dòng điện đi qua một cuộn cảm sẽ tạo ra một từ thông. Tuy nhiên, Chua nhận thấy dường như vẫn còn thiếu một yếu tố nào đó - chính là mối quan hệ giữa điện tích và từ thông.

Ở thời điểm đó, ông đặt ra câu hỏi về sự tồn tại của một thiết bị có khả năng liên kết hai đại lượng trên, mà ông gọi là điện trở nhớ (memristor); tuy nhiên trong khoảng thời gian gần 30 năm sau đó, ý tưởng này dần chìm vào quên lãng. Đến năm 2004, các nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của Hewlett-Packard (HP) tuyên bố rằng họ đã thành công trong việc tạo ra một điện trở nhớ, có khả năng lưu trữ thông tin mà không cần sử dụng năng lượng. Đúng như tên gọi, nó hoạt động như một điện trở có khả năng lưu trữ.

Kể từ đó, nhóm của HP cùng nhiều nhóm nghiên cứu khác đã tìm cách gắn điện trở nhớ vào các chip xử lý để mô phỏng cách thức bộ não con người xử lý thông tin. Một số nhà nghiên cứu khác đã bắt đầu tìm cách chế tạo các tụ điện nhớ (memcapacitor) và cuộn cảm nhớ (meminductor), các phiên bản tương tự như điện trở nhớ của các thành phần điện tử thụ động khác.

Các phát minh này đặt ra một vấn đề thú vị. Vậy những linh kiện vừa mới được khám phá này có công dụng gì đối với các thiết bị điện tử.

Ngày hôm nay, chúng ta đã có được câu trả lời cho câu hỏi trên nhờ vào những thành tựu của nhà nghiên cứu Sungsik Lee đến từ Đại học Quốc gia Pusan, Hàn Quốc. Nếu như Chua tập trung vào các thành phần điện tử thụ động như điện trở và tụ điện, thì Lee đi sâu nghiên cứu tính chất của các thành phần điện tử chủ động, trong đó có các bóng bán dẫn. Ông cho biết đã xác định được một vị trí còn trống trong hệ thống chưa tìm linh kiện phù hợp và linh kiện còn thiếu đó, nếu được phát minh và chế tạo, sẽ đem lại những hiệu quả đột phá cho tương lai của các thiết bị điện tử.

Lý luận của Lee tập trung vào thiết bị điện tử có vai trò to lớn nhất: bóng bán dẫn. Đầu ra của nó có thể được chuyển đổi bằng một mạch hoặc điện áp đầu vào. Nói cách khác, bóng bán dẫn có khả năng đóng và ngắt dòng điện.

Tuy nhiên, hiện tại con người chưa phát minh ra một thiết bị tương đương có chức năng để chuyển đổi điện áp. Ông đã quyết định sẽ nghiên cứu để đưa ra mô tả cho một thiết bị như vậy.

Các bóng bán dẫn nhận tín hiệu đầu vào và chuyển đổi thành dòng điện đầu ra tương ứng với thiết lập cho trước của người điều khiển, giống như nguyên lý hoạt động của một điện trở thay đổi. Điều này giải thích vì nó được gọi là bóng bán dẫn (transitor), vốn trong tiếng Anh là sự kết hợp của hai cụm từ "chuyển đổi" (transfer) và "resistor" (điện trở). Ngược lại, thiết bị mà Lee đang nghiên cứu sẽ có chức năng chuyển tín hiệu đầu vào thành đầu ra điện áp, giống như một tụ điện thay đổi. Lee gọi thiết bị này là "trancitor" (một biến thể của từ "transitor").

Tiếp theo, ông đề xuất về cách thức ứng dụng của linh kiện này trong thực tế. Cách làm đơn giản nhất là ghép nối một trancitor và một transitor để tạo ra các mạch có cấu trúc đơn giản hơn và tiết kiệm năng lượng hơn nhiều so với các thiết kế hiện có. Chẳng hạn, Lee chỉ ra rằng có thể tạo ra một bộ khuếch đại điện áp đơn giản bằng cách sử dụng một trancitor và một bóng bán dẫn duy nhất. Để dễ so sánh, các bộ khuếch đại điện áp hiện nay cần sử dụng đến bốn bóng bán dẫn.

Càng đi sâu tìm tòi, mô phỏng các mạch như vậy, Lee càng nhận thấy rằng kết quả thu được là các thiết bị nhỏ gọn hơn, tốn ít điện hơn và có tốc độ làm việc nhanh hơn so với các mạch chỉ sử dụng các bóng bán dẫn thông thường.

Điều này chắc chắn có ý nghĩa rất quan trọng đối với các thiết bị điện tử. Các mạch sử dụng kết hợp transitor-trancitor sẽ chiếm ít không gian hơn, sử dụng ít năng lượng hơn và hoạt động với tốc độ cao hơn các mạch thông thường. "Trancitor sẽ giúp tạo ra một mô hình mới về điện tử", Lee nói.

Tuy nhiên, có một câu hỏi quan trọng chưa được trả lời - đó là làm thế nào để tạo nên một trancitor?

Lee cho biết, thiết bị mới của ông có thể hoạt động nhờ vào hiệu ứng Hall nổi tiếng, vốn có thể tạo ra điện áp trên một dây dẫn khi từ trường được đặt theo hướng vuông góc với dòng điện. Tuy nhiên, câu hỏi làm thế nào để triển khai mô hình này ở các linh kiện có kích thước chỉ vài nanomet trong các mạch tương thích với CMOS thì vẫn chưa được trả lời một cách rõ ràng.

Thực tế, các mạch điện tử như chúng ta thấy ngày nay đã trải qua hàng thập kỷ được sửa chữa, cải tiến và tối ưu hoá. Do đó, việc triển khai bất kỳ một linh kiện mới nào cũng cần rất nhiều thời gian để thử nghiệm, sửa chữa.

Một lý do khiến việc sản xuất các điện trở nhớ theo lý thuyết của Chua mất nhiều thời gian là bởi rất khó tìm ra các vật liệu thích hợp để sản xuất linh kiện này với kích thước chỉ bằng các nguyên tử. Vì vậy, phải tới gần đây, người ta mới bắt đầu đạt được những tiến bộ đầu tiên trong việc khám phá ra cách sản xuất những điện trở nhớ có khả năng ứng dụng trong thực tiễn.

Hiệu ứng Hall chắc chắn vẫn tồn tại trên quy mô của các hạt mang điện ở cấp độ hạ nguyên tử. Vì vậy, điều duy nhất chúng ta có thể mong chờ vào thời điểm này là sự xuất hiện của một số kỹ sư điện tử dám nghĩ dám làm, để tìm cách xây dựng, sản xuất và đưa vào sử dụng các trancitor có khả năng ứng dụng trong thương mại.