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没上过大学,拥有400多项发明专利,没有他就没有intel的3D XPoint 芯片,人称“现代爱迪生”

编译 闻心 世界科学 2019-06-30


《经济学人》杂志把斯坦福•奥弗辛斯基(Stanford Ovshinsky)称作“我们这个时代的爱迪生”,或许大多数人并不熟悉这个名字,但这一称谓依旧非常适合他。


坦福•奥弗辛斯基


和爱迪生一样,奥弗辛斯基也是一位自学成才且多产的发明家。在他的400多项专利中,关于镍氢电池的一些专利至今仍为许多混合动力汽车提供动力,同时也是大规模生产价格合理的薄膜太阳能电池板的方法。


镍氢电池及许多其他技术都诞生在奥弗辛斯基的卓越研发实验室——“能量转换设备工厂”(ECD),类似于爱迪生“门洛帕克开发实验室”的发明工厂。但现在看来,奥弗辛斯基最为不朽的遗产是他在ECD之前所取得的成就,当时他是一位独立发明家,而不同于爱迪生的发明,奥弗辛斯基的这项发明发源于自己的一项基础科学发现。


奥弗辛斯基于1922年出生在俄亥俄州的亚克朗市,成年后在该市的商店和工厂里做机械工及工匠。1946年他发明了一种创新的自动化车床——这是他的第一项重要发明,而后他继续将自动化应用在其他设备上。遵循维纳控制论原理,奥弗辛斯基对机器控制装置和有生命的神经系统之间进行了类比,从而于1959年发明了一种强大的电化学开关


这种装置依赖于覆盖其钽电极的薄氧化膜,而奥弗辛斯基将其比作神经细胞膜的类似物。当合伙人禁止奥弗辛斯基使用相同材料研发这种开关的诉讼和解时,奥弗辛斯基开始系统性地探索新材料——从而有了他最重要的发现。


奥弗辛斯基关注的是氧族元素,即元素周期表中的归属氧的一组元素(即硫、硒、碲和钋),并尝试了碲化薄膜与砷、锑等相邻元素的融合。他1961年取得的实验结果被称为“奥弗辛斯基效应”——在电阻和导电状态之间几乎是瞬时可逆的转换。当电压达到或低于一定程度时,这种效应就会产生一种开启或关闭的阀值开关。


同时它还产生了一个双稳态的电存储器——可以保持导电状态的开关,直到一个更强的脉冲使其返回到电阻状态。这些半导体器件由无定形(非晶体)材料组成——这是一项被认为是不可能的壮举。在20世纪60年代,固体物理学几乎只研究晶体,人们普遍认为像晶体管这样的半导体器件只能用晶体材料制成。这个发现来自于一个未经认可的局外人——奥弗辛斯基,并与当时的科学假设相矛盾,他的发现最初遭到了强烈抵制,但最终人们还是接受了。


非晶体和无序材料在科学和商业领域发挥着日益重要的作用,这在一定程度上无疑要归功于奥弗辛斯基。他还有一个更具体的贡献,直到现在才显现出来。相变存储器的工作原理是通过在晶体和非晶体之间相互转化,从而利用所表现出来的导电性差异来存储数据。相变存储器首先在光学领域成功实现了商业化——激光脉冲触发了这种变化,而这正是可擦写CD和 DVD光盘的基础。这些都在20世纪80年代开始投入使用,但是电学领域的存储器研发则花费了更长的时间。


作为一种信息技术,相变存储器的成功必须依赖于提高性能。降低功耗要求是通过少许改动完成的,而提高速度则源自一个重要的进步,即对光学存储器的研究产生了具有高转换速度的硫族化合物(Ge2Sb2Te5)。奥弗辛斯基认为,这种化合物在电学存储中会有更好的表现,而他的工作人员在实验中也已经证实了这一点。


即使获得了这样的成功,相变存储器仍然面临着闪速存储器的激烈竞争——芯片制造商已经投入了大量资金。相变存储器的优越性显而易见:更快、需要的功率更小、有更高数量级的可擦写周期,但它的价格更昂贵。正如奥弗辛斯基实验室的一位科学家所言,市场想要的是“便宜而性能又足够好”的产品,而长期以来,闪速存储器一直价格低廉而性能颇佳。


直到2012年(89岁)奥弗辛斯基去世时,相变存储器仍在等待属于自己的时代。研究人员很清楚,硅基闪存最终将会达到微缩的极限,并相信有一天,硫族化合物的相变存储器会取而代之,因为它在微缩方面效果更好。


大多数人认为这可能需要几十年的时间。但令人颇为惊讶的是:在2015年,购买了奥弗辛斯基专利的英特尔和美光科技宣布了他们的3D XPoint芯片,并称“这是存储器处理技术的重大突破,也是自1989年推出NAND闪存以来的首个新型存储器。”随着3D XPoint芯片的更多细节浮出水面,它的基础很显然是奥弗辛斯基的相变技术,使用的设计与他多年前的研究成果也基本相同。


随着21世纪信息技术的进步,奥弗辛斯基50多年前发现的相变存储似乎很可能成为他最重要的遗产。


资料来源:

The Most Important Inventor You've Never Heard of


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