Мемристор способен хранить данные без затрат энергии на протяжении длительного времени.
Cоздание нового элемента может стать наиболее значительным событием текущего десятилетия в микроэлектронике и привести к кардинальным изменениям в технологии хранения информации , поскольку мемристор способен хранить данные без затрат энергии на протяжении длительного времени. Микросхемы памяти, построенные на базе мемристоров, сулят возможность моментального включения компьютеров за счет отказа от необходимости начальной загрузки , понижение энергопотребления мобильных устройств и другие захватывающие перспективы.
Термин «мемристор» предложил в 1971 году ученый из калифорнийского университета в Беркли Леон Чуа, который разработал теоретический фундамент четвертого элемента. По мнению специалистов, мемристор относится к тому же ряду фундаментальных элементов электроники, что и резистор, конденсатор и индуктивность. Только спустя 37 лет, группа исследователей под руководством Р. Стэнли Уильямса смогла создать первый рабочий образец мемристора. Элемент сформирован пересечением электродов из платиновой нанопроволоки, разделенных пленкой диоксида титана.
Сопротивление мемристора можно существенно (на три порядка) изменять, пропуская через него ток. Изменение сопротивления эквивалентно переключению между единичным и нулевым состоянием, что и наделяет новый элемент свойством памяти. Важно, что энергия затрачивается только в момент переключения. Новая технология вполне может претендовать на роль универсальной памяти будущего, которая одновременно заменит используемую сейчас динамическую память с произвольным доступом и флэш-память, но это только первый реальный шаг практического использования мемристора.
Мемристор — «электрическое сопротивление» — пассивный элемент в микроэлектронике, способный изменять свое сопротивление, может быть описан как двухполюсник с нелинейной вольт-амперной характеристикой, обладающий гистерезисом.
Рис. 1. Символ мемристора
Математическая теория мемристора устанавливает отношения между интегралами по времени силы тока, протекающего через элемент, и напряжения на нем. Давно известно, что четыре величины могут быть связаны шестью попарными соотношениями. Так, например, в квадрате можно провести четыре стороны и две диагонали. До того, как возникла идея мемристора, существовало три основных пассивных элемента цепи: сопротивление, конденсатор и индуктивность. На этих трех строительных блоках основаны все электронные схемы, и, согласно теории электротехники, именно с их помощью можно представить любой элемент электронной схемы. Мемристор является четвертым, недостающим и ранее не использовавшимся элементом.
Познакомимся с принципом работы и способами физической реализации этого интересного элемента. Электрическая цепь может описываться четырьмя физическими величинами: в каждой точке (сечении) — силой тока (I) и зарядом (Q), между двумя точками (поверхностями) — напряжением или разностью потенциалов (U) и магнитным потоком (Ф).
Все эти четыре величины попарно соотносятся друг с другом, прич м эти соотношения представлены в физических элементах электросхемы. Так, резистор (сопротивление) реализует взаимосвязь силы тока и напряжения, конденсатор ( мкость) — напряжения и заряда, катушка индуктивности — магнитного потока и силы тока (см. рис. 2). Эти три пассивных элемента — резистор, конденсатор и катушка индуктивности — считаются базовыми в электротехнике, поскольку электрическую схему любой сложности теоретически можно свести к эквивалентной схеме, построенной исключительно из сопротивлений, мкостей и индуктивностей.
Для логической завершенности этой системе из пяти уравнений (рис. 2) не хватало шестого, напрямую связывающего изменения заряда и магнитного потока (мемрестивность). В 1971 году американский физик Леон О. Чуа (из Калифорнийского университета в Беркли) выдвинул гипотезу, согласно которой должен существовать четвертый базовый элемент электросхемы, который описывал бы взаимосвязь магнитного потока с зарядом. Такой элемент невозможно составить из других базовых пассивных элементов, хотя уже тогда его можно было смоделировать с помощью комбинации активных элементов, например операционных усилителей.
Чуа назвал «недостающий» элемент мемристором — от слов «резистор» и «memory», то есть «память». Это название описывает одну из характеристик мемристора, так называемый гистерезис, «эффект памяти», означающий, что свойства этого элемента зависят от приложенной ранее силы. В данном случае сопротивление мемристора зависит от пропущенного через него заряда, что и позволяет использовать его в качестве ячейки памяти. Это свойство было названо мемрезистивностью (M), значение которой есть отношение изменения магнитного потока к изменению заряда. Величина M зависит от количества заряда, прошедшего через элемент, то есть от того, как долго через него протекал электрический ток. То есть мемристор — это элемент, работающий в условиях переменного тока, электрическое сопротивление которого зависит от полярности прилагаемого напряжения. В зависимости от знака разности потенциалов мемристор может находиться в выключенном (менее проводящем) состоянии и во включенном (более проводящем). Однако в таком виде он мало отличается от диода. Самым главным качеством мемристора — именно мемристивностью — является зависимость сопротивления от заряда, пропущенного через элемент. Долгое время мемристор считался чисто теоретическим объектом, который нельзя построить. Только спустя 37 лет, группа исследователей под руководством Р.Стэнли Уильямса смогла создать первый рабочий образец мемристора (лабораторный образец мемристора был создан в 2008 году коллективом ученых 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 во многих случаях могут заменить и транзисторы, 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.
Принципиальное отличие мемристора от большинства типов современной полупроводниковой памяти и его главное преимущество перед ними заключаются в том, что он не хранит свои свойства в виде заряда. Это означает, что ему не страшны утечки заряда, с которыми приходится бороться при переходе на микросхемы нанометровых масштабов, и что он полностью энергонезависим. Проще говоря, данные могут храниться в мемристоре до тех пор, пока существуют материалы, из которых он изготовлен. Для сравнения: флэш-память начитает терять записанную информацию уже после года хранения без доступа к электрическому току.
В долгосрочной перспективе планируется объединить память на основе мемристоров и систему хранения данных на кремниевых процессорах в трехмерный гибридный чип - т. е. получим целый компьютер на одном чипе. Системы, оснащенные такими "процессорами", станут применяться для любых вычислений и задач, интенсивно использующих память, - таких как сейсморазведка, рендеринг анимационных фильмов или исследования космоса.
В 2010 году, уже была продемонстрирована способность мемристоров не только хранить информацию, но и выполнять логические операции. Со временем исследователи еще больше узнали о физических и химических свойствах мемристоров, и эти новые знания позволили по-новому взглянуть на особенности работы этих инновационных элементов. Мемристоры способны полностью изменить всю компьютерную отрасль.
Специалисты HP предполагают, что c 2016 года мемристоры начнут заменять собою флеш-память, оперативную память и жесткие диски. С целью вывода мемристора на коммерческий рынок, компания НР подписала соглашение о сотрудничестве с Hynix Semiconductor Inc., и соглашение о совместной разработке данной технологии с крупной компанией Hynix Semicon-ductor.
Новый тип памяти, получивший название 3D XPoint, показывает скорости чтения и записи в тысячу раз превышающие скорость обычной памяти NAND, а также обладает высокой степенью прочности и плотности (благодаря новой технологии 3DXpoint ячейка памяти меняет сопротивление для различения между нулем и единицей).
Новый тип памяти может использоваться как в качестве системной, так и в качестве энергозависимой памяти, то есть, другими словами, ее можно использовать в качестве замены как оперативной RAM-памяти, так и SSD. Для максимальной эффективности использования памяти XPoint (в тысячу раз превышающие скорость обычной памяти NAND) придется разработать новую архитектуру материнской платы.
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 Википедии 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.
| Техпроцесс | Дата | Пример |
| 90 нм | 2002-2003 гг. | Intel Pentium 4 (Prescott), AMD Turion 64 X2 |
| 65 нм | 2004 г. | Intel Core/Xeon, AMD Athlon 64 |
| 45 нм / 40 нм | 2006-2007 гг. | Intel Core 2 Duo, AMD Athlon II |
| 32 нм / 28 нм | 2009-2010 гг. | Intel Sandy Bridge, AMD Bulldozer, Apple A7 |
| 22 нм / 20 нм | 2009-2012 гг. | Intel Ivy Bridge |
| 16 нм / 14 нм | 2014 г. | Pentium N3700 (Braswell), AMD Ryzen |
| 10 нм | 2016-2017 гг. | Apple A11 Bionic, Snapdragon 835/845 |
| 7 нм | 2018 г. | Apple A12X, Snapdragon 855/865 |
| 6 нм / 5 нм | 2019 г. | Apple A14, Apple M1 |
| 3 нм | 2018 г. | пробные образцы Imec и Cadence Design Systems |
| 2 нм | 2021 г. | IBM заявила о создании первого 2 нм чипа |
| 1,4 нм | 2029 г. | Intel планирует переход |
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.
Резистивное переключение происходит при формировании или разрушении токопроводящих нитей в диэлектрике. Процесс образования нитей отображен схематично на рис. 2.
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).
DRAM
FLASH
RRAM (bipolar filament)
Мемристор — четвертый пассивный элемент (сопротивление, конденсатор, индуктивность, мемристор).
Мемристор — четвертый пассивный элемент (сопротивление, конденсатор, индуктивность, мемристор).
Термин «мемристор» предложил в 1971 году ученый из калифорнийского университета в Беркли Леон Чуа, который разработал теоретический фундамент четвертого элемента. По мнению специалистов, мемристор относится к тому же ряду фундаментальных элементов электроники, что и резистор, конденсатор и индуктивность. Но только спустя 37 лет, группа исследователей под руководством Р. Стэнли Уильямса смогла создать первый рабочий образец мемристора. Элемент был сформирован пересечением электродов из платиновой нанопроволоки, разделенных пленкой диоксида титана.
Сопротивление мемристора можно существенно (на три порядка) изменять, пропуская через него ток. Изменение сопротивления эквивалентно переключению между единичным и нулевым состоянием, что и наделяет новый элемент свойством памяти. Важно, что энергия затрачивается только в момент переключения. Новая технология вполне может претендовать на роль универсальной памяти будущего, которая одновременно заменит используемую сейчас динамическую память с произвольным доступом и флэш-память, но это только первый реальный шаг практического использования мемристора.
Мемристор — «электрическое сопротивление» — пассивный элемент в микроэлектронике, способный изменять свое сопротивление. До того, как возникла идея мемристора, существовало три основных пассивных элемента цепи: сопротивление, конденсатор и индуктивность. На этих трех строительных блоках основаны все электронные схемы, и, согласно теории электротехники, именно с их помощью можно представить любой элемент электронной схемы. Мемристор является четвертым, недостающим и ранее не использовавшимся элементом.
Американский физик Леон О. Чуа назвал «недостающий» элемент мемристором — от слов «резистор» и «memory», то есть «память». Это название описывает одну из характеристик мемристора, так называемый гистерезис, «эффект памяти», означающий, что свойства этого элемента зависят от приложенной ранее силы. В данном случае сопротивление мемристора зависит от пропущенного через него заряда, что и позволяет использовать его в качестве ячейки памяти. Это свойство было названо мемрезистивностью (M), значение которой есть отношение изменения магнитного потока к изменению заряда. Величина M зависит от количества заряда, прошедшего через элемент, то есть от того, как долго через него протекал электрический ток. То есть мемристор — это элемент, работающий в условиях переменного тока, электрическое сопротивление которого зависит от полярности прилагаемого напряжения. В зависимости от знака разности потенциалов мемристор может находиться в выключенном (менее проводящем) состоянии и во включенном (более проводящем). Однако в таком виде он мало отличается от диода.
Долгое время мемристор считался чисто теоретическим объектом, который нельзя построить. Только спустя 37 лет, группа исследователей под руководством Р. Стэнли Уильямса смогла создать первый рабочий образец мемристора (лабораторный образец мемристора был создан в 2008 году коллективом ученых 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 во многих случаях могут заменить и транзисторы, но такая возможность пока рассматривается только гипотетически. 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.
Специалисты HP планировали, что к 2013 году мемристоры начнут заменять собою флеш-память, а в 2014-2016 годах — оперативную память и жесткие диски. С целью вывода мемристора на коммерческий рынок, компания НР подписала соглашение о сотрудничестве с Hynix Semiconductor Inc., и соглашение о совместной разработке данной технологии с крупной компанией Hynix Semicon-ductor.
Разработчики HP ориентировались на применение мемристоров в типе памяти, которая называется ReRAM (резистивная память со случайным доступом). Именно этот тип памяти может принести наибольшую пользу в совершенствовании компьютерных систем.
Эти устройства для хранения информации с очень низким энергопотреблением, высокой скоростью действия и длительным (до 10 лет) сохранением информации при отключении электропитания. Технология ReRAM должна была заменить и флэш-память, которая в настоящее время используется в мобильных телефонах, MP3-плеерах и других съемных носителях информации. Кроме того, она могла выступать и в качестве универсального носителя, т.е. заметить флэш-память, оперативную память DRAM, жесткие диски и SSD- диски . Но самым важным, вызывающим наибольший интерес у специалистов было другое свойство мемристора — возможность производить вычисления. Это свойство мемристора могло бы совершить революцию в компьютерной технике.
Мемристорный компьютер будет значительно больше похож на мозг благодаря многочисленным кластерам, которые будут хранить и одновременно обрабатывать отдельные «куски» информации. Благодаря тому, что память мемристора хранит значение тока, который через него пропустили, становится возможной обработка не только двоичных сигналов «1» и «0», но и любых других значений в промежутке от 0 до 1, например «0,3» или «0,8», что открывает широчайшие перспективы для создания вычислительных систем, в том числе и нейрокомпьютеров.
Использование мемристоров делает ненужными многие компоненты современных компьютеров, так как позволят выполнять вычисления без передачи данных центральному и вспомогательным процессорам. Компьютеру с универсальным чипом ReRAM не нужен винчестер, оперативная память, видеокарты, возможно, и процессор, а также он сможет обойтись без обязательной загрузки операционной системы «с нуля», т.к. может хранить в памяти состояние, предшествующее выключению, что позволит сразу же продолжить работу.
Мемристорный компьютер будет потреблять в разы меньше энергии, ему не потребуется мощной системы охлаждения, он будет гораздо компактнее. Для того чтобы изменить конфигурацию такого компьютера, не нужно будет менять видеокарту или память, выбрасывая дорогие или экологически небезопасные старые детали. Достаточно будет добавить дополнительный мемристорный блок и/или внести изменения в программное обеспечение. Мемристорная технология сделает домашние ПК быстрее, проще и экономичнее (дата появления первых мемристорных компьютеров пока неизвестна, но представители компании HP заявляют, что уж о флешках в ближайшие 10 лет мы уж точно забудем). Для предприятий использование мемристоров будет означать, что IT-специалисты смогут получить в центре обработки данных гораздо более быстрый доступ к информации: скорость поиска существенно возрастет, а энергозатраты уменьшатся.
Мощный толчок в развитии и практическом использовании мемристоров обеспечили нанотехнологии. Именно они позволили создать новый базовый элемент схемотехники, до сих пор бывший абстракцией. К резистору, конденсатору и индуктивности теперь добавился мемристор. Нанотехнологии продолжают подавать надежду на дальнейшее ускоренное развитие микроэлектронной индустрии.
Специалисты-исследователи из лаборатории HP (Дмитрий Струков и его коллеги) показали, как мемристивность возникает в наноразмерных масштабах при переносе заряда с помощью сочетания электронного и атомного механизмов переноса.
Конечно, идея использования мемристоров вместо транзисторов на данном этапе должна пройти проверку временем. Необходимо разработать принципы создания электрических цепей на основе двухконтактных элементов, разработать технологии воплощения их в материале и т.д. Сами мемристоры тоже нуждаются в доработке, так как в отличие от транзисторов являются пассивными элементами, и усиления сигнала в их случае можно добиться, лишь увеличив разницу в электрическом сопротивлении между включенным и выключенным состояниями элемента.
Чипы памяти на основе мемристоров обещают составить значительную конкуренцию флэш-памяти. Они работают, по крайней мере, вдесятеро быстрее и используют вдесятеро меньше энергии, чем эквивалентные чипы флэш-памяти. Память на основе мемристоров может быть стерта и перезаписана гораздо больше раз, чем флэш-память (при этом производство новых элементов памяти будет в два раза дешевле).
Принципиальное отличие мемристора от большинства типов современной полупроводниковой памяти и его главное преимущество перед ними заключаются в том, что он не хранит свои свойства в виде заряда. Это означает, что ему не страшны утечки заряда, с которыми приходится бороться при переходе на микросхемы нанометровых масштабов, и что он полностью энергонезависим. Проще говоря, данные могут храниться в мемристоре до тех пор, пока существуют материалы, из которых он изготовлен. Для сравнения: флэш-память начитает терять записанную информацию уже после года хранения без доступа к электрическому току.
Еще в апреле 2010 года, в журнале Nature, появился отчет об исследованиях HP Labs, в ходе которых была продемонстрирована способность мемристоров не только хранить информацию, но и выполнять логические операции. Со временем исследователи еще больше узнали о физических и химических свойствах мемристоров, и эти новые знания позволили по-новому взглянуть на особенности работы этих инновационных элементов. Чтобы эффективно использовать свойства мемристоров, необходимо включить их в состав электрической цепи с активными элементами. Мемристоры способны полностью изменить всю компьютерную отрасль, знания непрерывно растут, технологии совершенствуются, но по оценкам специалистов, реальный вывод мемристоров на массовый рынок может занять от 15 до 20 лет.
С мемристорами работает немало организаций по всему миру: университеты, национальные лаборатории и компании стремятся на их основе создать устройства будущего. Однако по ряду причин (связанных более с маркетингом, нежели с наукой или технологией) другие исследователи не используют сам термин «мемристор».
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.
Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Интересные электротехнические новинки
Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика
Поделитесь этой статьей с друзьями: