Что такое мемристоры и где они применимы
Название «мемристор» происходит от двух слов — memory и resistor. Данный микроэлектронный компонент представляет собой разновидность пассивного компонента, резистора, но в отличие от обычного резистора, мемристор обладает своеобразной памятью.
Суть в том, что мемристор изменяет свою проводимость в соответствии с количеством протекшего через него электрического заряда — в зависимости от величины интеграла по времени прошедшего через компонент тока. Мемристор можно описать как двухполюсник с нелинейной ВАХ, и обладающий определенным гистерезисом.
Новое слово в мире вычислительной техники
В начале 70-х годов, американский профессор Леон Чуа предложил теоретическую модель, где описывались соотношения между приложенным к элементу напряжением и интегралом тока по времени.
На протяжении долгих лет теория профессора Чуа оставалась теорией, и только в 2008 году группа ученых из компании Hewlett-Packard, во главе со Стенли Уильямсом, создали в лаборатории образец обладающего памятью элемента, который вел себя подобно теоретически описанному мемристору, хотя и отличался от предложенной ранее теоретической модели.
Устройство не поддерживало магнитный поток подобно катушке индуктивности, не накапливало электрический заряд подобно конденсатору, и вело себя совсем не как обычный резистор. Четвертый компонент! Его проводящие свойства изменялись благодаря химическим превращениям в двухслойной пленке диоксида титана толщиной в 5 нм.
Первый слой пленки обеднен кислородом, в связи с чем, при приложении к данному наноионному устройству электрического напряжения, (через платиновые электроды) вакантные кислородные места начинают мигрировать между первым и вторым слоями, что и ведет к изменению сопротивления устройства.
Уже на этом этапе понятно, что явление гистерезиса позволяет применять мемристоры в качестве ячеек памяти, и в некоторых аспектах электроники они, вероятно, смогут заменить собой полупроводниковые транзисторы.
Широкие перспективы внедрения мемристоров
В теории память на мемристорах может получиться более быстрой и плотной, чем флеш-память распространенная сегодня, и в форме блоков она сможет заменить собой оперативную память.
Поскольку мемристоры как-бы запоминают прошедший через них заряд, в принципе это позволило бы компьютерам вообще отказаться от загрузки операционной системы при каждом включении компьютера после выключения, а при включении — сразу начинать работу, возобновляя ее с последнего сохраненного состояния ОС.
Hewlett-Packard и Hynix уже заявили, что технология в принципе готова к реализации. Еще в 2014 году они опубликовали свой проект суперкомпьютера «The Machine», а в 2016 продемонстрировали его прототип — с памятью на базе мемристоров и с оптоволоконными линиями связи. Коммерциализация пока не состоялась, но ожидается в ближайшие годы.
Принципиально мемристоры пригодны не только для хранения данных, они могут также участвовать в обработке информации, причем и ту и другую функцию может выполнять один и тот же блок памяти.
Гипотетически в скором будущем мемристоры помогут создать искусственные синапсы в составе искусственных нейросетей, причем строить изделия можно будет на стандартном микрочиповом оборудовании. Мемристор ведет себя очень похожим на синапс образом: чем больший сигнал через него пропускается — тем лучше он пропускает сигнал в будущем.
В общем и целом перспективы внедрения мемристоров достаточно широки. Энергоэффективные вычислительные системы с динамической памятью с возможностью сохранения текущего состояния даже после выключения питания — это уже очень сильный рывок вперед.
На горизонте, как минимум, усовершенствованный класс интегральных микросхем, в которых преимущества конденсаторов и индуктивностей (в плане возможности сохранения своего состояния) будут достигнуты на наноуровне. Дистанционное зондирование, искусственные нейроморфные биологические системы и т. д.
Учитывая растущее использование облачных вычислений и современные масштабы Big data, потребности в мощных аппаратных компонентах будут только расти, а это значит, что начало бурного роста рынка мемристоров — лишь вопрос времени. К тому же, если принять во внимание перспективу (с внедрением мемристоров) повышения производительности со снижением тепловыделения, становится логичным, что в скором будущем затруднения, связанные с текущей сложностью мемристоров как изделий, будут преодолены.
Вот лишь десять главных игроков данной отрасли на сегодня: HP Development Company LP, Fujitsu, IBM, Adesto Technologies Corporation, SK Hynix, Crossbar, Rambus, HRL Laboratories LLC и Knowm, Inc.
Искусственный мозг не за горами
Безусловно, до практики еще далеко, но очертания идеи уже вырисовываются. Кора головного мозга человека имеет плотность синапсов 10000000000 на квадратный сантиметр, но при всей своей сложности синапсы в мозгу потребляют чрезвычайно малую мощность. Их нелинейная динамика и способность сохранять воспоминания десятилетиями всегда поражала ученых.
Цель создания электронной модели мозга с электронными эквивалентами синапсов казалась недостижимой. Но сегодня, когда работа над мемристорными устройствами активно ведется, инженеры получили надежду приблизиться к воспроизведению архитектуры реального мозга на базе электроники, способного адаптироваться к окружающей среде.
Мемристор
Мемристор (англ. memristor , от memory — «память», и resistor — «электрическое сопротивление») — пассивный элемент в микроэлектронике, способный изменять свое сопротивление в зависимости от протекавшего через него заряда (интеграла тока за время работы).
Содержание
Математическая модель
Теория мемристора была создана в 1971 году профессором Леоном Чуа.
Устанавливает отношения между интегралами по времени силы тока, протекающего через элемент, и напряжения на нем. Долгое время мемристор считался теоретическим объектом, который нельзя построить.
Однако, лабораторный образец мемристора был создан [1] в 2008 году коллективом ученых во главе с Р. С. Уильямсом в исследовательской лаборатории фирмы Hewlett-Packard. В отличие от теоретической модели, устройство не накапливает заряд, подобно конденсатору, и не поддерживает магнитный поток, как катушка индуктивности. Работа устройства обеспечивается за счет химических превращений в тонкой (5 нм) двухслойной пленке двуокиси титана. Один из слоев пленки слегка обеднен кислородом, и кислородные вакансии мигрируют между слоями под действием приложенного к устройству электрического напряжения. Данную реализацию мемристора следует отнести к классу наноионных устройств.
Наблюдающееся в мемристоре явление гистерезиса позволяет использовать его в качестве ячейки памяти. В принципе, мемристоры могут заменить транзисторы во многих случаях, но такая возможность пока рассматривается только гипотетически.
Теоретически они могут быть более емкими и быстрыми чем современная флеш-память. Также их блоки могут заменить RAM. Их умение «запоминать» заряд позволит отказаться от загрузки системы. В памяти компьютера отключенного от питания будет храниться его последнее состояние. Его можно будет включить и начать работу с того места, на котором остановился. Это же свойство позволит отказаться от некоторых компонентов современного ПК, что позволит сделать компьютеры меньше и дешевле.
Технология на данный момент готова к производству компаниями Hynix и HP. Планировалось, что накопители на базе мемристоров выйдут в 2013 году, но выпуск был перенесён на 2014 год, так как компании не хотят подрывать очень выгодный рынок флэш-памяти (SSD), которая по сравнению с мемристорами дорога и относительно ненадёжна. [4] [5]
Применение
Мемристоры можно будет использовать для создания искусственных нейронов и электронного мозга [6] .
Примечания
- ↑Мемистор ли, мемристор ли, лишь бы без истерик | Сайт журнала «Компьютерное Обозрение»
- ↑Bush, S.HP nano device implements memristor. Electronics Weekly (2 May 2008). Архивировано из первоисточника 19 октября 2012.
- ↑Kanellos, M.HP makes memory from a once-theoretical circuit (30 April 2008). Архивировано из первоисточника 19 октября 2012.
- ↑Разработка мемристоров завершена, но HP и Hynix не хотят подрывать рынок флэш-памяти
- ↑Memristors’ one-year delay will hit IT in the wallet
- ↑Ученые предложили принципиальную схему электронного мозга
См. также
Ссылки
- Олег Нечай Мемристор: «недостающий элемент» // Компьютерра-Онлайн, 3 февраля 2011 года
| Пассивные твердотельные | Резистор · Переменный резистор · Подстроечный резистор · Варистор · Конденсатор · Переменный конденсатор · Подстроечный конденсатор · Катушка индуктивности · Кварцевый резонатор · Предохранитель · Самовосстанавливающийся предохранитель · Трансформатор |
|---|---|
| Активные твердотельные | Диод · Светодиод · Фотодиод · Полупроводниковый лазер · Диод Шоттки · Стабилитрон · Стабистор · Варикап · Вариконд · Диодный мост · Лавинно-пролётный диод · Туннельный диод · Диод Ганна Транзистор · Биполярный транзистор · Полевой транзистор · КМОП-транзистор · Однопереходный транзистор · Фототранзистор · Составной транзистор · Баллистический транзистор Интегральная схема · Цифровая интегральная схема · Аналоговая интегральная схема Тиристор · Симистор · Динистор · Мемристор |
| Пассивные вакуумные | Бареттер |
| Активные вакуумные и газоразрядные | Электронная лампа · Электровакуумный диод · Триод · Тетрод · Пентод · Гексод · Гептод · Пентагрид · Октод · Нонод · Механотрон · Клистрон · Магнетрон · Амплитрон · Платинотрон · Электронно-лучевая трубка · Лампа бегущей волны |
| Устройства отображения | Электронно-лучевая трубка · ЖК-дисплей · Светодиод · Газоразрядный индикатор · Вакуумно-люминесцентный индикатор · Флажковый индикатор · Семисегментный индикатор |
| Акустические устройства и датчики | Микрофон · Громкоговоритель · Тензорезистор |
| Термоэлектрические устройства | Термистор · Термопара · Элемент Пельтье |
- Пассивные компоненты
- Нанотехнология
Wikimedia Foundation . 2010 .
Полезное
Смотреть что такое «Мемристор» в других словарях:
мемристор — из англ.: memory resistor англ.: memristor, memory resistor запоминающий резистор англ., электроника Источник: http://ru.wikipedia.org/wiki/Мемристор … Словарь сокращений и аббревиатур
Хронология изобретений человечества в XXI веке — См. также: Хронология изобретений человечества История технологий По периодам и регионам: Неолитическая революция Древние технологии Египта Наука и технологии древней Индии Наука и технологии древнего Китая Технологии Древней Греции Технологии… … Википедия
Список новых перспективных технологий — содержит некоторые из самых выдающихся текущих событий, достижений и инноваций в различных областях современной технологии. Новые технологии это те технические нововведения, которые представляют прогрессивные изменения в рамках области… … Википедия
Электронное устройство — Эта статья должна быть полностью переписана. На странице обсуждения могут быть пояснения … Википедия
Электрический конденсатор — У этого термина существуют и другие значения, см. Конденсатор (значения). См. также: варикап Основа конструкции конденсатора две токопроводящие обкладки, между которыми находится диэлектрик … Википедия
Транзистор — Дискретные транзисторы в различном конструктивном оформлении … Википедия
Биполярный транзистор — Обозначение биполярных транзисторов на схемах Простейшая наглядная схема устройства транзистора Биполярный транзистор трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно… … Википедия
Диод — У этого термина существуют и другие значения, см. Диод (значения). Четыре диода и диодный мост. Диод (от др. греч … Википедия
Резистор — Иное название этого понятия «Сопротивление»; см. также другие значения. Шесть резисторов разных номиналов и точности, промаркированные с помощью цветовой схемы Резистор … Википедия
Магнетрон — Магнетрон это мощная электронная лампа, генерирующая микроволны при взаимодействии потока электронов с магнитным полем. Со … Википедия
Полупроводники: мемристор простыми словами
В этой статье я попробую объяснить простыми словами причины исследования и перспективы применения нового типа полупроводников – мемристор.
Сначала давайте дадим определение мемристору. Memristor – это электронный компонент, который сохраняет внутреннее сопротивление на основе истории приложенного напряжения и тока (memory – память, resistor — сопротивление). Изменение сопротивления является энергонезависимым, т. е. состояние сопротивления может сохраняться в течение длительного времени после удаления внешнего электрического поля.
Зачем потребовался новый электронный компонент?
Первая причина — это достижение физического предела в размещении транзисторов в интегральной схеме. Все знают закон Мура об удвоении количества транзисторов на кристалле интегральной схемы каждые 2 года, которому пытаются следовать производители микросхем.
По информации в Википендии о технологическом процессе (последние годы в таблице) физический предел почти достигнут. Для лучшего представления: один нанометр приблизительно равен условной конструкции из десяти молекул водорода, выстроенных в линию.
Intel Pentium 4 (Prescott), AMD Turion 64 X2
Intel Core/Xeon, AMD Athlon 64
Intel Core 2 Duo, AMD Athlon II
Intel Sandy Bridge, AMD Bulldozer, Apple A7
Intel Ivy Bridge
Pentium N3700 (Braswell), AMD Ryzen
Apple A11 Bionic, Snapdragon 835/845
Apple A12X, Snapdragon 855/865
Apple A14, Apple M1
пробные образцы Imec и Cadence Design Systems
IBM заявила о создании первого 2 нм чипа
Intel планирует переход
Авторы Хабра обращали внимание в своих статьях, что предел в уменьшения транзисторов уже достигнут, и это 20-25 нм (2009-2012 гг.). Дальнейший рост производительности может быть в оптимизации архитектуры.
Проектные нормы в микроэлектронике: где на самом деле 7 нанометров в технологии 7 нм?
Технологии микроэлектроники на пальцах: «закона Мура», маркетинговые ходы и почему нанометры нынче не те. (часть1, часть2, часть3)
Вторая причина связана с развитием искусственного интеллекта (ИИ): вычислительные системы сталкиваются с новыми проблемами, связанными с большими объемами данных и увеличением нагрузки на связь между памятью и процессором. Для решения этой вычислительной проблемы требуется новый подход/архитектура. Например, вычисления в памяти (IMC) представляются многообещающим подходом к устранению узких мест в памяти и обеспечению более высокого параллелизма обработки данных благодаря архитектуре массива памяти. IMC демонстрирует лучшую пропускную способность и меньшее энергопотребление по сравнению с традиционным цифровым подходом.
Решение есть, и это мемристор.
Как же работает мемристор?
Мемристор — это частный случай физического явления, которое называется резистивное переключение. Резистивное переключение — это явление, когда сопротивление диэлектрического материала изменяется в ответ на приложение сильного внешнего электрического поля. Но это не «пробой» диэлектрика, так как возможно возвращение в обратное состояние. Первым открыл явление резистивного переключения в 1962 году в пленке оксида алюминия T. W. Hickmott. А в 1971 году L. Chua предложил новый элемент электросхемы — мемристор.
Резистивные переключения происходят во многих изоляционных материалах: оксиды, нитриды, халькогениды, полупроводники, органические материалы. Однако наиболее широко резистивные переключения изучены в оксидах. Устройства для резистивных переключений имеют конфигурацию с двумя выводами, подобную конденсатору, это изображено на рис. 1.
Рис.1. Схема типичных устройств для резистивного переключения: вертикальная и плоская конструкции. T.E. — верхний электрод, B.E. — нижний.
Резистивное переключение происходит при формировании или разрушении токопроводящих нитей в диэлектрике. Процесс образования нитей отображен схематично на рис. 2.
Рис. 2. Схематичное изображение процесса формирования токопроводящих нитей. (a) Pristine state — начальное состояние, (b) Filament formation (LRS) — формирование нити (низкое сопротивление), (c) Filament rupture (HRS) — разрыв нити (высокое сопротивление). Более подробно о том, как кислородные вакансии влияют на сопротивление
Кислородные вакансии имеют тенденцию к скоплению и обычно образуют нитевидные формы под действием электрического поля. Когда такие кластеры образуются, сопротивление локальной области становится намного ниже, чем сопротивление окружающей оксидной матрицы и, следовательно, состояние низкого сопротивления и состояние высокого сопротивления будут определяться образованием и разрывом токопроводящих нитей, соответственно, которые просачиваются через образец.
Кислородные вакансии могут управлять характеристиками барьера Шоттки. В геометрии образца конденсатора, между электродами и оксидным слоем образуется граница раздела. В зависимости от разницы в работе выхода металлического электрода и оксида может быть сформирован барьер Шоттки. Под действием внешнего смещения может изменяться распределение и плотность кислородных вакансий, что влияет на высоту и ширину барьера Шоттки и приводит к изменению сопротивления образца.
Кислородные вакансии также могут образовывать ловушки для электронов внутри области барьера Шоттки. В этом случае барьер Шоттки может модулироваться нейтрализацией кислородных вакансий из-за захвата электронов, что также приводит к явлениям резистивного переключения.
Вольт-амперный процесс преобразования материала в мемристор можно разделить на три этапа:
При приложении сильного электрического поля происходит резкое увеличение тока, называемое процессом «формирования», и устройство становится переключаемым. Зеленая линия на рис. 3.
Устройство в состоянии низкого сопротивления переходит в состояние высокого сопротивления за счет приложения внешнего смещения, называемого «сбросом». Красная линия на рис. 3.
И наоборот, состояние высокого сопротивления можно заменить на состояние низкого сопротивления, называемую «установка». Голубая линия на рис. 3.
Простыми словами, работу транзистора и мемристора можно описать так:
транзистор: подали напряжение на базу – проводит ток, убрали напряжение — не проводит ток (полупроводник). При этом используется три контакта: эмиттер, коллектор и база
мемристор: после напряжения установки – проводит ток, после напряжения сброса — не проводит ток (полупроводник). При этом используется два контакта.
То есть мемристор хороший кандидат для электронных схем новой архитектуры.
Преимущества мемристора
Исследование мемристоров и их применения ведется уже длительное время. Один из перспективных способов применения — это RRAM (Resistive random-access memory), резистивная память с произвольным доступом. Прототипы уже исследованы, в таблице ниже можно убедиться в значительных преимуществах некоторых характеристик нового элемента (размер, скорость, время хранения состояния).
Мемристор это что
Нет на свете такой компьютерной производительности, на которую не нашлась бы своя «тормозная» задача. Это аксиома. Переиначивая на современный лад древний философский спор на тему первичности курицы или яйца, можно до хрипоты спорить о том, что же именно является двигателем компьютерного прогресса – тяжёлый софт, побуждающий создавать под него более быстрое железо, или мощное железо, стимулирующее дальнейшую фантазию программистов. Одно можно сказать точно: даже если ваш компьютер считается самым быстрым на планете, это ненадолго: уже завтра выйдут новые процессоры, чипсеты, видеокарты, память, которые разгонятся ещё лучше.
Что ж, абсолютной производительности добиться невозможно, к ней можно только стремиться, и с этим фактом нужно свыкнуться, как с бесконечностью Вселенной. В погоне за абсолютом мы ставим себе новые задачи, решаем их, и завтра забываем о них ради новых горизонтов. Совсем недавно для победы человека в шахматном турнире приходилось строить суперкомпьютеры, сегодня с этим справляется большинство карманных игрушек; сегодня ради сотни FPS в FarCry2 на максимальном разрешении мы выжимаем все соки из системы, через пару лет, как знать, это может оказаться пустяковой задачей для 200-долларовой офисной машинки. Про решение некоторых задач – например, про безошибочное распознавание речи, мы пока даже не заикаемся, ибо нет пока для этого ни подходящих программных алгоритмов, ни соответствующего железа.
И всё же, есть ли какой-нибудь разумный предел гонки компьютерной производительности, достигнув которого, можно было бы поздравить Человечество с достойной победой? Для ответа на этот вопрос стоит подойти к зеркалу и полюбоваться на замечательный высокопроизводительный компьютер на своих плечах.
Посмотрите внимательно на этот придуманный Природой корпус с двумя ушами, глазами и прочими интерфейсами ввода-вывода: внутри находится система непревзойдённой производительности, содержащая порядка 10 млрд. нейронов в каждом кубическом сантиметре объёма и решающая умопомрачительные задачи в реальном времени. Особо подчеркну: без киловаттного блока питания (достаточно всего лишь трёхразового питания), без дополнительного охлаждения водой или азотом (36,6 Цельсия – в самый раз), и даже без оверклокинга (даже пробовать не стоит — результат мизерный, зато шанс слететь с катушек — вплоть до полного ресета, очень даже реальный). 
Для сравнения: максимум, чего на сегодняшний день добилось человечество на пути эмуляции работы мозга – это симулятор коры головного мозга с миллиардом искусственных нейронов, соответствующий разве что уровню кошачьего интеллекта. Однако даже для этой цели пришлось использовать один из мощнейших современных суперкомпьютеров Dawn Blue Gene/P Национальной Ливерморской лаборатории им. Лоуренса (Lawrence Livermore National Lab) на 147.456 процессорах и 144 Терабайтах оперативной памяти.
Сколько-сколько, говорите, процессоров, в вашей рекордно разогнанной системе? А сколько памяти? Увы, даже до «кошачьих мозгов» нам с самыми мощными домашними ПК пока как до Луны. К тому же есть ещё одно обстоятельство, решительно перечёркивающее любые попытки сравнивать современные вычислительные системы – даже мощные серверные кластеры, с человеческим мозгом: нынешняя компьютерная архитектура, мягко говоря, не совсем подходит для эмуляции мозга. Точнее, совсем не подходит.
Мемристор, электрический нейрон: недостающее звено нейронного компьютера
История, которую я вам сегодня расскажу, началась почти сорок лет назад, когда Леон Онг Чуа (Leon Ong Chua), профессор кафедры электротехники и вычислительных систем при Калифорнийском университете в Беркли (University of California, Berkeley), предсказал появление нового электронного двухэлектродного элемента, названного мемристор. Новый элемент, благодаря уникальному набору электрических характеристик, должен был заполнить пустующее четвёртое место среди базовых пассивных компонентов электронных схем – резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности.
На самом деле, слово «мемристор» является своеобразным «наследником» придуманного ещё в 1960 году слова «мемистор«, которым Бернард Уидроу (Bernard Widrow) назвал 3-электродный базовый компонент для искусственных нейронных сетей ADALINE (ADAptive LInear NEuron), однако именно в работе «Memristor—The Missing Circuit Element» (Мемристор – недостающая деталь схемы), Леон Чуа впервые подробным образом описал свойства 2-электродного устройства.
Чем же так интересен мемристор? Уникальность его отражена непосредственно в названии, полученном при синтезе двух слов – memory (память) и resistor (резистор, сопротивление). Мемристор, подобно резистору, оказывает сопротивление проходящему через него электрическому току, однако при этом также обладает памятью, при этом сопротивление мемристора зависит от последней величины приложенного к нему напряжения.
Иными словами, ключевое свойство мемристора — мемристичность (обратите особое внимание: речь идёт не о зависимости между приложенным напряжением и полученным количеством электричества, зарядом, но о зависимости между изменением напряжения и зарядом), на практике можно использовать для запоминания потенциала последнего приложенного напряжения.
Теперь попробуем вспомнить, как современная наука представляет себе принцип работы головного мозга. Согласно современным представлениям, электрические свойства синапса – своеобразного «сигнального провода» между нейронными клетками, напрямую зависят от условий его активности. То есть, чем меньше временной промежуток последнего взаимодействия между двумя нейронами, тем проще синапсу будет отреагировать на следующее «сообщение». Практически, полная аналогия с мемристором, сопротивление которого хранит «весточку» о последнем приложенном к нему напряжении.
Никакое сочетание классических RLC-компонентов просто не в состоянии копировать работу нейронов и синапсов, так что до недавнего времени эмуляция работы головного мозга производилась с помощью громоздкого программно-аппаратного комплекса. Изобретение мемристора вызвало практически революцию в этой отрасли.
Быстро только кошки плодятся
Случается так, что от теории до получения первых практических результатов проходят многие годы. Взять, к примеру, тот же графен, физические свойства которого были предсказаны ещё в 1947 году, а затем другие учёные доказали невозможность получения двумерной графитной плёнки. И лишь в наше время, в 2005 году, удалось впервые получить этот материал на практике, а сегодня, спустя каких-то пять лет, мы говорим о графеновой революции в нанотехнологиях и возникновении новой промышленности – графеновой электроники.
Прошло целых 37 лет прежде чем был создан первый работающий мемристор. Произошло это в 2008 году: Стэнли Вильямс (Stanley Williams) из лаборатории Hewlett-Packard Labs в Пало-Альто, Калифорния, сделал первый мемристор из крохотной частицы диоксида титана, хорошо всем известного в качестве основного красящего вещества в составе многих солнцезащитных и белых красок.
Уже самый первый мемристорный переключатель представлял собой устройство наномасштабов: площадка из диоксида титана размерами 50 х 50 нм помещалась между двумя нанопроводниками. В отличие от традиционной компьютерной логики, способной принимать только два логических положения – 0 или 1, мемристорный переключатель может принимать любые значения в этом промежутке – например, 0,2, 0,5 или 0,9. По сути своей, мемристор – это самая настоящая энергонезависимая память, отличающаяся от всех иных видов RAM способностью работать как в цифровом, так и в аналоговом режимах , в зависимости от потребностей конкретной задачи.
Так, работая в цифровом режиме в качестве запоминающего устройства, мемристорные изделия очень скоро могут отправить на свалку не только жёсткие, но и твердотельные диски, поскольку работают быстрее, а стоят при этом гораздо меньше. В фото- и видеокамерах мемристорные накопители будут попросту «проглатывать» ваши снимки и ролики без малейшей задержки, а в компьютере такая память, заменив собой и накопители, и оперативку, будет потреблять энергию только в процессе перезаписи. Габариты ячейки, изначально измеряемые в нанометрах, позволят хранить сотни гигабайт и даже терабайты данных в очень компактном исполнении.
И так далее. В этом материале я сознательно оставляю без комментариев весь спектр возможных приложений (кроме эмуляции процесса обработки информации нашими мозгами), где применение мемристоров позволит создать просто уникальные решения. Но никто не может воспрепятствовать полёту вашей фантазии. Или просмотру приведённого ниже ролика с фантазиями исследователей лаборатории HP.
Что же касается аналоговых возможностей мемристора, мы, по большому счёту, впервые в компьютерной истории получаем возможность создать машину, самообучающуюся на аппаратном уровне. Ибо всё, на что способны сегодняшние компьютеры – это результат последовательного выполнения команд и работы программного обеспечения. Для этого совершенно не обязательно дожидаться появления компьютеров, функционирующих по принципу мозга человека, для начала будет достаточно того, чтобы машина научилась «интеллектуально» сопоставлять получаемые образы с хранящимися в памяти образцами и адаптировать свой интерфейс, основываясь на привычках и предпочтениях пользователя. Даже если такая машина не будет уметь «полноценно размышлять» по аналогии с мозгом человека, возможность безошибочного узнавания лиц, распознавания речи и команд – тоже неплохо для начала.
Тем, у кого есть время и желания подробнее разобраться в теории работы мемристоров и мемристорных систем, рекомендую почти 2-часовую видеозапись симпозиума Memristor and Memristive Systems Symposium, сделанную в декабре 2008 года, где ведущие учёные в этой области рассказывают о возможностях мемристоров в качестве потенциальных компонентов будущих наночипов.
Итого, в сухом остатке: мемристоры на сегодняшний день не только придуманы, но даже воплощены в «железе»; идей по практическому использованию мемристоров хоть отбавляй. До начала массового производства мемристорных устройств осталось всего ничего: «слепить» из отдельных мемристоров что-то более вразумительное и практичное нежели отдельный переключатель, а также научиться производить такие полезные устройства на конвейере. Пока это не случится, все разговоры о будущем мемристоров будут оставаться, мягко говоря, сплошной теорией, а говоря с практических позиций, пустым звоном.
Пациент будет жить!
Вот мы и добрались до самого интересного на сегодня, ради чего пришлось городить такое длинное вступление. В статье под названием Nanoscale Memristor Device as Synapse in Neuromorphic Systems, опубликованной в одном из свежих выпусков журнала Nano Letters, группа учёных с кафедры электротехники и вычислительных систем при Университете Мичигана (University of Michigan) утверждает, что им за один присест удалось поймать сразу двоих зайцев: создать функционирующее мемристорное устройство и сделать его из материалов, уже применяемых при производстве современных кремниевых чипов.
Созданное учёными мемристорное устройство состоит из расположенного снизу вольфрамового наноэлектрода, над который методом напыления нанесён 2-4-нм слой кремния, затем методом плазмохимического осаждения из газовой фазы нанесён 2,5-4,5-нм слой аморфного (a-Si) кремния, затем методом совместного напыления 20-30-нм слой серебра и кремния, и на самом верху расположен хромово-платиновый наноэлектрод. В практических экспериментах учёные использовали полученным таким образом мемристоры габаритами от 500 х 500 нм до 100 х 100 нм.
Изготовленная на базе таких мемристоров гибридная система, составленная из CMOS-нейронов и мемристорных синапсов, способна демонстрировать такое важнейшее свойство синапсов, как гибкое токовое реагирование в зависимости от периодичности воздействующего импульса. Так, при интервале между сигналами в 20 мс сопротивление между электродами составляло лишь половину от того, которое наблюдалось при 40-мс интервале между сигналами.
Этого уже более чем достаточно для доказательства возможности использования мемристоров в качестве синапсов в нейроморфных чипах с высокой коммуникабельностью и большой плотностью размещения информации, требуемых для высокоэффективных вычислений.
Что дальше?
Похоже, что по мере приближения конца кремниевой электроники, который ожидается где-то на рубеже 2020 года, Закон Мура в очередной раз будет чудным образом спасён – не мемристорами, так графеном, или ещё чем-нибудь. Десяток лет в запасе – по нынешним галопирующим темпам развития науки срок достаточно большой.
Что касается будущего мемристорной, или, если хотите, нейронной электроники, здесь наконец-то наступила некоторая определённость. Поскольку практичность применения мемристоров уже ни у кого не вызывает сомнения, а производство мемристорных чипов, судя по результатам исследований учёных из Университета Мичигана, вполне реально на существующих линиях по выпуску кремниевых чипов (разумеется, не без дополнительной доработки), на повестке дня остаётся один вопрос глобальной важности: кто и когда создаст первый чип, включающий в себя хотя бы десятки тысяч мемристоров, и сможет масштабировать экспериментальное получение единичных образцов на масштабы производственного техпроцесса.
Пусть для начала это будет не говорящий и думающий аналог человеческой головы, пусть это будет хотя бы аналог флэшки на пару килобайт. В конце концов, первый 16-битный процессор Intel 8086 – родоначальник современной архитектуры x86, обладал тактовой частотой 5 МГц и был выполнен всего лишь на 29 тысячах транзисторов, а во что это со временем вылилось.
Разумеется, как и у любой архитектуры, ещё не покинувшей стены лабораторий, у мемристорной электроники есть множество других неразрешённых проблем. Так, например, до сих пор не существует в физическом виде мемристора с внутренним источником питания, хотя уже есть лабораторные модели с применением активных компонентов. Про те проблемы, которые возникнут в процессе формирования мемристорно-нейронной логики, мы, возможно, пока даже не догадываемся.
И всё же приятно думать, что процесс пошёл в правильном направлении, и от появления «искусственной головы» нас отделяет всего лишь время, необходимое на преодоление ряда технических вопросов, а не череда недоказанных теорий, как это было совсем недавно. Пусть эта голова только покажется, а мы уж найдём воду, азот или другой способ, чтобы разогнать её производительность раза в полтора… Источники: