Nhà phát minh vĩ đại những xa lạ với hầu hết mọi người

Stanford Ovshinsky đã thay đổi cuộc sống của chúng ta, và phát minh vĩ đại nhất của ông chỉ mới bắt đầu được sử dụng.

Ovshinsky là một nhà phát minh vĩ đại với hơn 400 bằng sáng chế, trong đó có pin nickel-metal hydride vẫn đang được sử dụng để cấp năng lượng cho nhiều loại xe hybrid, và phát minh để sản xuất hàng loạt tấm năng lượng mặt trời mỏng. Ovshinsky còn được gọi với cái tên "Edison của thời đại chúng ta".

Ovshinsky có phòng nghiên cứu và phát triển Energy Conversion Devices (ECD – Thiết bị chuyển đổi năng lượng), một xưởng phát minh giống Menlo Park của Edison. Tại đây, ông đã cho ra đời rất nhiều công nghệ mới, bao gồm 2 bằng sáng chế kể trên. Tuy nhiên, phát minh tồn tại lâu nhất của Ovshinsky lại được tạo ra trước khi có ECD, khi ông còn là một nhà phát minh độc lập, xuất phát từ một khám phá khoa học cơ bản.

Ovshinsky khởi nghiệp như một thợ máy và thợ chế tạo tại các cửa hàng và nhà máy của vùng Akron, Ohio, nơi ông sinh ra năm 1922. Phát minh quan trọng đầu tiên của ông là máy tiện tự động cải tiến, vào năm 1946. Sau đó, ông tiếp tục sử dụng tự động hóa trong các thiết bị khác. Theo nguyên lý điều khiển học của Norbert Wiener, ông nghiên cứu sự tương đồng giữa thiết bị điều khiển máy móc và hệ thần kinh động, tạo ra công tắc điện hóa vào năm 1959.

Stanford Ovshinsky.

Thiết bị này hoạt động dựa trên màng mỏng oxit bao phủ các điện cực tantali, theo Ovshinsky là tương tự màng tế bào thần kinh. Trong một vụ kiện tranh chấp bản quyền loại vật liệu này, Ovshinsky bắt đầu tìm kiếm các vật liệu mới, dẫn đến phát hiện vĩ đại nhất của ông.

Ông tập trung vào chalcogen, các nguyên tố dạng oxy trong bảng tuần hoàn (đó là sulfur, selenium, tellurium và polonium) và thử nghiệm màng mỏng tellurium pha trộn với các nguyên tố lân cận như arsenic và antimon. Năm 1961, "hiệu ứng Ovshinsky" ra đời, một chuyển đổi gần như tức thời và đảo ngược giữa trạng thái điện trở và dẫn điện. Từ đó ra đời thiết bị chuyển mạch ngưỡng, bật hoặc tắt khi điện áp đạt hoặc giảm xuống dưới một cường độ nhất định.

Cùng với đó là bộ nhớ điện ổn kép, một công tắc vẫn dẫn điện cho đến khi một xung mạnh hơn trả nó về trạng thái điện trở. Những thiết bị bán dẫn này bao gồm các vật liệu vô định hình (không phải tinh thể), một kỳ công được xem là không thể trước đó. Trong những năm 1960, vật lý trạng thái rắn xử lý gần như độc lập với tinh thể, và người ta tin rằng các thiết bị bán dẫn như bóng bán dẫn chỉ có thể được làm từ vật liệu tinh thể. Vào thời điểm đó, phát hiện của Ovshinsky đã gặp phải kháng cự mạnh mẽ, nhưng theo thời gian nó dần được chấp nhận.

Gần đây vật liệu vô định hình đã có đóng góp cụ thể hơn. Bộ nhớ đổi pha, hoạt động bằng cách đổi từ trạng thái vô định hình sang trạng thái tinh thể và ngược lại, lần đầu tiên được thương mại hóa thành công trong phiên bản quang học, nơi xung laser kích hoạt sự thay đổi, nền tảng của đĩa CD và DVD. Những thiết bị này được sử dụng vào những năm 1980, nhưng việc phát triển bộ nhớ phiên bản điện tử mất nhiều thời gian hơn.

Để thành công, bộ nhớ đổi pha phải cải thiện hiệu suất bằng cách giảm yêu cầu năng lượng và tăng tốc độ. Nghiên cứu về bộ nhớ quang học đã giúp ra đời kim chalcogenide (Ge2Sb2Te5) với tốc độ chuyển đổi rất nhanh. Ovshinsky tin rằng hợp kim sẽ hoạt động tốt hơn trong bộ nhớ điện tử, vì thí nghiệm từ đội ngũ nhân viên của ông đã xác nhận một cách ngoạn mục.

Ovshinsky qua đời năm 2012.

Nhưng ngay cả với thành công này, bộ nhớ đổi pha phải đối mặt với cạnh tranh ghê gớm từ bộ nhớ flash vốn được các nhà sản xuất chip đầu tư rất nhiều. Bộ nhớ đổi pha rõ ràng vượt trội: nhanh hơn nhiều, đòi hỏi ít điện năng hơn nhiều. Tuy nhiên, nó cũng đắt hơn, và cái mà thị trường muốn là "rẻ và đủ tốt". Trong một thời gian dài, bộ nhớ flash đã luôn rẻ và đủ tốt.

Khi Ovshinsky qua đời năm 2012, bộ nhớ đổi pha vẫn đang chờ "thời" của mình. Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này biết rằng bộ nhớ flash dựa trên silicon sẽ đạt đến giới hạn giảm kích thước và tin rằng bộ nhớ đổi pha chalcogenide, hoạt động tốt hơn khi giảm kích thước, sẽ thay thế nó.

Hầu hết mọi người nghĩ rằng điều này có thể mất nhiều thập niên. Do đó, ai cũng bất ngờ khi vào năm 2015 Intel và Micron đã mua lại bằng sáng chế của Ovshinsky, công bố chip XPoint 3D, gọi nó là "một bước đột phá lớn trong công nghệ xử lý bộ nhớ và bộ nhớ mới đầu tiên kể từ khi giới thiệu NAND flash vào năm 1989". Chi tiết về chip này cho thấy nó dựa trên công nghệ đổi pha của Ovshinsky và sử dụng một thiết kế cơ bản giống như các nhà nghiên cứu của ông đã tạo ra nhiều năm trước đó.

Khi công nghệ thông tin của thế kỷ 21 tiến bộ, bộ nhớ đổi pha của Ovshinsky, được phát hiện cách đây hơn 50 năm, dường như là di sản quan trọng nhất của ông.