潮湿的计算：液控二氧化钒开关可能具有媲美大脑的工作效率

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图尔特•帕金（Stuart Parkin）对计算的未来有一个设想。主板、个人存储芯片、数十亿个高速晶体管都不存在了。代替它们的是一个奇怪的东西：一个受到大脑原理的启发而设计出来的盒子，它布满了由液体驱动的、会膨胀和收缩的电路，其时钟速度非常慢，相比之下，即使是40年前的微处理器看上去都快极了。

帕金说：“人们（一直）说要‘更小、更快’，但我觉得这种说法是错误的。”他长期以来一直是IBM的研究员，现任德国哈雷市马普学会微结构物理研究所的主任。帕金补充说：“实际上提速要耗费很多的能量。”他说，通过将速度放慢到类似大脑的程度，即几十赫兹的量级，具有几乎完全不同架构的未来电脑可能消耗很少的能量就可以完成很多的工作。

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多年来，工程师们研究了一系列可能被用于制造类大脑电路的候选材料。帕金的研究重点是二氧化钒，这是一种金属氧化物，它能够由绝缘状态切换到导电状态。这种材料有可能被用来制造极低功率的开关，这类开关即使在没有电力供应的情况下也能保持其工作状态。由于二氧化钒从绝缘体到导体的转变消耗的能量相当低，接近于空气在室温下自然消耗的能量，所以它一直被认为是一种具有吸引力的电动开关候选材料。

但二氧化钒的开关性能并不那么简单。为了最大限度地提高所施加的电压改变金属状态的能力，帕金和其他研究人员已经重新设计了晶体管。该设计包括一个二氧化钒薄膜，顶部有一个栅极，栅极由一个离子液滴构成，盐溶液里的离子要松散到足以形成液体而非固体。

当在这个液栅上施加一个电压时，正电荷和负电荷分别移动到液滴的两侧。研究人员认为，那些在二氧化钒膜附近积累的电荷将加强薄膜附近的电场，因此可以将薄膜的状态从绝缘切换到导电。

这种方法是有效的，并且一些早期的实验结果表明，液栅可以改变导电性能，类似于今天的硅晶体管上发生的变化。但是，最近的研究表明，另外一种机制也可能会导致这种变化。2013年，帕金和他的同事们报告说，液栅实际上可能让二氧化钒中的氧原子进入液体，这是电迁移的一种形式。

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而对于薄膜晶体结构来说，这种影响可能在物理上相当有戏剧性，它可以使该材料的体积膨胀多达3%。相比之下，当二氧化钒被加热成为金属时，它实际上只收缩了约0.3%。帕金和他的同事们将这一新发现发表在了1月份的《美国国家科学院院刊》上。

帕金说，这种变化进一步证明了液栅会诱发材料的结构变化，但他仍希望将这种不寻常的开关投入使用。在马普学会，他的目标是让自己的新研究小组探索利用多个离子液体二氧化钒装置能制造出何种电路，这可能要用到3D打印。

在哈佛大学研究金属氧化物的施利莱姆•莱曼纳森（Shriram Ramanathan）表示，膨胀的程度是有些夸张，但并不完全出人意料。他说：“许多这种离子晶体都是所谓的吸氧晶体。它们可以容纳大量的氧气并释放出来，有点儿像固态海绵。”

莱曼纳森的团队正在探索薄膜金属氧化物的另一个研究方向。去年，他和同事们利用一个固态而非液态的栅极向一种钐、镍和氧的化合物施加电压。他们利用这种栅极将质子泵进泵出材料，展示了1亿倍的电阻变化。他的研究小组也正在探索如何利用该材料来制造拥有液栅的类大脑电路。

莱曼纳森表示，与二氧化钒不同，镍基材料在100摄氏度以上才能从绝缘体切换到导体，因此它们也许能够更直接地应用于传统的电子产品，而它们运行的温度足以触发二氧化钒自发的转变。但他补充说，在电子产品中，这一系列材料将有多种应用，没有一种方法是普遍适用的。

作者：Rachel Courtland

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