Мемристор — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Знак мемристора

Мемри́стор (от англ. memory — память, и англ. resistor — электрическое сопротивление) — пассивный элемент в микроэлектронике, способный изменять своё сопротивление в зависимости от протекавшего через него заряда (интеграла тока за время работы).

Может быть описан как двухполюсник с нелинейной вольт-амперной характеристикой, обладающий гистерезисом.^[1]

Теория мемристора была создана в 1971 году профессором Леоном Чуа (англ.)русск. (Цай Шаотаном)^[2].

Устанавливает отношения между интегралами по времени силы тока, протекающего через элемент, и напряжением на нём. Долгое время мемристор считался теоретическим объектом, который нельзя построить.

Однако лабораторный образец запоминающего элемента, демонстрирующего некоторые свойства мемристора

[3]^[4], был создан в 2008 году коллективом учёных во главе с Р. С. Уильямсом в исследовательской лаборатории фирмы Hewlett-Packard^[5][6][7][8].

В отличие от теоретической модели, полученное устройство не накапливает заряд, подобно конденсатору, и не поддерживает магнитный поток, как катушка индуктивности. Работа устройства (изменение его свойств^[4]) обеспечивается за счёт химических превращений в тонкой (5 нм) двухслойной плёнке диоксида титана. Один из слоев плёнки 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. Гипотетически мемристоры смогут заменить транзисторы в части случаев.

Теоретически мемристорные запоминающие элементы могут быть более плотными и быстрыми, чем современная флеш-память. Также блоки из них могут заменить ОЗУ. Умение мемристоров «запоминать» заряд позволит впоследствии отказаться от загрузки системы компьютера: в памяти компьютера, отключённого от питания, будет храниться его последнее состояние. При поддержке со стороны программного обеспечения компьютер можно будет включить и начать работу с того места, на котором она была остановлена при выключении.

По заявлениям Hynix и Hewlett-Packard, технология готова к производству. Изначально сообщалось, что накопители на базе мемристоров выйдут в 2013 году^[9], но затем выпуск был перенесён на 2014 год.^[10][11]

В 2014 году HP опубликовала проект суперкомпьютера The Machine, в котором планируется использовать волоконно-оптические линии связи и память на базе мемристоров^[12]. Рабочий прототип устройства продемонстрирован в конце 2016 года, коммерциализация технологии ожидается к 2018 или 2019 году.^[13]

Перспективы применения в качестве вычислительных устройств[править | править код]

Мемристоры могут быть использованы не только для хранения данных. Так, М. Ди Вентра и Ю. В. Першиным была предложена концепция вычислительных машин, в которых хранение и обработка информации осуществляется одним и тем же физическим устройством, основанным на мемристорах

[14]^[15].

Рассматривается возможность применения мемристоров в качестве искусственных синапсов (весовых модулей) нейропроцессоров и искусственных нейросетей. Поведение мемристора напомининает работу биологического синапса — чем интенсивнее входной сигнал, тем выше пропускная способность синапса («вес» сигнала). Данное решение позволит сильно упростить конструкцию нейропроцессора и его стоимость, так как хорошо воспроизводится на уже имеющихся технологических линиях по производству микрочипов.

1. ↑ Pershin, Y. V. & Di Ventra, M. (2011), «Memory effects in complex materials and nanoscale systems», Advances in Physics Т. 60 (2): 145, DOI 10.1080/00018732.2010.544961 
2. ↑ Chua, Leon O, «Memristor—The Missing Circuit Element», IEEE Transactions on Circuit Theory. 18.5 (1971): 507—519.
3. ↑ «The Missing Memristor: Novel Nanotechnology or rather new Case Study for the Philosophy and Sociology of Science?» by Sascha Vongehr, Advanced Science Letters 17, pp. 285—290 (2012), arXiv:1205.6129
4. ↑ ^{1 2} Бёрд Киви, Мемристоры: пора ли переписывать учебники? // 3DNews, 18 декабря 2014: «А было ли открытие? .. следует отметить существенные различия между тем мемристором, который был теоретически предсказан Леоном Чуа в 1971 году и тем устройством .. наноконструкция, обнаруженная в HP, фактически представляет собой аналоговое запоминающее устройство, которое вообще не требует для своей работы эффектов магнетизма.
5. ↑ HP Labs Proves Existence of New Basic Element for Electronic Circuits. “Memristor” discovery could lead to far more energy-efficient computing systems with memories that don’t forget, never need to be booted up (англ.), press-release, HP (April 30, 2008). Дата обращения 9 января 2015.
6. ↑ Strukov, Dmitri B., et al. «The missing memristor found.» // Nature 453.7191 (2008): 80-83. doi:10.1038/nature06932
7. ↑ Четвертый элемент: специалисты HP воплотили в жизнь технологию памяти, придуманную 37 лет назад Архивная копия от 26 февраля 2009 на Wayback Machine // IXBT, 05 Мая, 2008
8. ↑ Sally Adee. The Mysterious Memristor. Researchers at HP have solved the 37-year mystery of the memory resistor, the missing 4th circuit element. (англ.), IEEE Spectrum (1 May 2008). Дата обращения 9 января 2015.
9. ↑ HP, Hynix to launch memristor memory 2013 // EETimes, Peter Clarke, 2011-10-06
10. ↑ Разработка мемристоров завершена, но HP и Hynix не хотят подрывать рынок флэш-памяти Архивная копия от 18 мая 2017 на Wayback Machine // IXBT, 28 Сентября, 2012
11. ↑ Memristors’ one-year delay will hit IT in the wallet // ZDNet, July 10, 2012
12. ↑ Peter Bright. HP plans to launch memristor, silicon photonic computer within the decade Electrons, photons, and ions will work together to revolutionize computing. (англ.), arstechnica (Jun 11, 2014). Дата обращения 9 января 2015.
13. ↑ HP представила прототип суперкомпьютера, который в 8000 раз быстрее существующих ПК, Типичный программист. Дата обращения 6 декабря 2016.
14. ↑ M. Di Ventra, Y. V. Pershin. Memcomputing: a computing paradigm to store and process information on the same physical platform // Nature Physics 9, 200—202, 2013; arXiv:1304.1675 (англ.)
15. ↑ The Computer That Stores and Processes Information At the Same Time (англ.), MIT Technology review (November 21, 2012). Дата обращения 9 января 2015. «Emerging Technology From the arXiv».

пора ли переписывать учебники? / Offсянка

Глядя со стороны, в это довольно сложно поверить, но история физики и электротехники сложилась таким образом, что в 2008 году — впервые со времен Фарадея и начальных опытов с электричеством на заре XIX века — ученым удалось открыть новый компонент электросхем. Причем компонент этот столь же фундаментален, как и три прежних, давно известных, — резистор, конденсатор и катушка индуктивности, — на основе которых в принципе возможна эквивалентная реализация для электронных схем любой функциональности.

Более того, даже многоопытные профессионалы, взирающие на историю прихода мемристоров в нашу жизнь как бы «изнутри» мира электроники, до сих пор озадаченно чешут затылки. И не устают поражаться все новым и новым открытиям, которые приносит с собой прежде неведомый для ученых и инженеров «четвертый элемент» электросхем…

Глядя на предмет с иной стороны, впрочем, другие — пусть и менее многочисленные — эксперты призывают коллег и публику не покупаться на рекламно-коммерческую шумиху вокруг новой технологии. А присмотревшись к ней повнимательнее, увидеть, что (а) вещь эта вовсе не новая, и (б) «никакой это не мемристор» на самом деле. Самое же интересное, что и данную позицию подкрепляют логичные доводы, опирающиеся на бесспорные факты.

Но разъяснять эти необычные расклады лучше все-таки по порядку — начиная с собственно открытия мемристора в XXI веке и его красивого предсказания в довольно далеком уже прошлом.

⇡#«Сдвиг парадигмы», или Хорошо забытое старое

В силу объективных причин (место рождения — корпорация Hewlett Packard) вся история появления и прогресса мемристоров с самого начала освещалась компьютерной прессой внимательно и с подробностями, включая и множество публикаций на сайте 3DNews. Поэтому здесь известные вещи будут упомянуты лишь совсем вкратце и с упором не на технические, а на идейно-концептуальные аспекты открытия.

В конце 1990-х годов в исследовательском центре HP Labs создали новую Лабораторию квантовых информационных систем — дабы не только идти в ногу с индустрией, стабильно уменьшающей элементы микрочипов, но и заранее иметь представление, как все это будет работать, когда лет через 15-20 базовые компоненты электронных схем уменьшатся до размеров порядка нескольких молекул.

Лабораторию возглавил опытный специалист по химической физике и нанотехнологиям Стэн Уильямс (Stan Williams), эксперименты с миниатюризацией элементов начались хорошо, но довольно скоро его сотрудники стали отмечать крайне странную, не предсказываемую теорией работу электронных узлов и цепей, уменьшенных до наномасштабов. Поиски причин оказались непростыми, однако в итоге один из сотрудников нашел-таки в архивах весьма давнюю теоретическую статью-подсказку. Которая не то чтобы объясняла происходящие в опытах казусы, но давала весьма красивую модель, сулившую постичь происходящее при надлежащей проработке концепции.

Автором той древней, аж 1971 года публикации был человек, что называется, непростой судьбы. Родившийся в 1936-м как Цай Шаотан на Филиппинах в среде этнических китайцев, выросший там же в условиях японской оккупации, лишь на рубеже 1950-60-х годов он сумел перебраться в США, где под именем Леон Чуа стал в итоге весьма известным и авторитетным ученым, профессором Калифорнийского университета в Беркли.

К 1971 году, конечно же, Чуа еще не успел стать научным авторитетом, но зато сумел весьма оригинально перенести в сугубо прикладную теорию электросхем идею о красоте математических симметрий, в ту пору уже доминировавшую в фундаментальной теории физики частиц. Подобно тому, как другим на основе выявленных симметрий микромира удавалось предсказывать, а затем и отыскивать в экспериментах новые частицы материи, Леон Чуа выявил четкую математическую симметрию в основе всех электросхем. И на этой основе предсказал существование нового, в ту пору неизвестного базового элемента. Который он назвал «мемристор», то есть резистор с памятью, и в целом описал его предполагаемые свойства.

Согласно логике Чуа, четыре базовых величины, характеризующие состояния электросхемы (заряд, ток, напряжение, магнитный поток), могут быть соотнесены друг с другом шестью возможными способами. Для двух из этих шести соотношений имеются базовые физические законы, а еще для трех существуют общеизвестные элементы электросхем: резистор, конденсатор, индуктивность. При этом одна позиция — соотносящая заряд и магнитный поток — оставалась в красивой симметричной картине ничем не занятой. Поэтому Чуа, исходя из соображений математической эстетики, предложил на вакантное место свой «мемристор».

Согласно предсказанию, радикальное отличие нового элемента от других фундаментальных кирпичиков электросхемы заключалось в том, что только гипотетический мемристор несет в себе память о своем прошлом. На практике это означало бы, что элемент действует как резистор, у которого значение сопротивления изменяется в соответствии с током, через него проходящим, причем это значение запоминается даже после того, как ток в цепи исчезает…

Поскольку оригинальная идея Чуа в 1970-е годы не нашла никакого практического применения, ее восприняли и тут же сбросили со счетов как красивую математическую фантазию, не более того. Но через тридцать лет экспериментаторы в HP Labs таки поняли, что столкнулись в своих опытах с мемристивным поведением наноэлементов.

А поняв, далее уже осмысленно начали на основе феномена создавать новаторское запоминающее устройство — как специфическую разновидность резистивной памяти RAM. Точнее, такой замечательной памяти, которая работает быстрее, чем обычная оперативная, но при этом при выключении питания запоминает свое состояние — как память внешняя. То есть компьютер с мемристорной памятью может не только потреблять в десятки раз меньше электроэнергии, но при этом еще и обходиться без перезагрузок — при выключениях/включениях всегда запоминая и возвращая свое последнее рабочее состояние…

По вполне понятным причинам среди тех известных людей мира инфотехнологий, кто был особо впечатлен не только собственно фактом открытия мемристора, но и быстрым прогрессом в его освоении, оказался и сам предсказатель четвертого элемента, профессор Леон Чуа. В комментариях для прессы он назвал новаторскую работу HP Labs «сдвигом парадигмы» и не без удовлетворения констатировал: «Что ж, теперь придется вносить изменения во все учебники электротехники».

⇡#Биологическое родство, или мозги на чипе

Еще в 2008 году, на волне первых публикаций об открытии мемристора, один из участников команды HP Labs, наш соотечественник Дмитрий Струков в одном из интервью сразу отметил, что их устройство в своей работе довольно отчетливо напоминает функционирование синапсов — то есть точек контакта между нервными клетками у живых организмов вообще и в мозге в частности.

Хотя тайны работы мозга пока что никак нельзя называть постигнутыми, специалисты предполагают, что работа нашей памяти определяется именно тем, какие нейроны мозга связаны друг с другом и насколько эти связи сильны. Соответственно, процесс запоминания трактуется как изменение силы этих связей под действием ощущений, порождающих сигналы в нейронной сети мозга.

Увидев аналогию для данных процессов в работе своего устройства, в HP Labs предположили, что можно попытаться скопировать структуру мозга, построив нейроны из транзисторов, а синапсы заменив мемристорами.

О первом ощутимом успехе на данном направлении стало известно весной 2010-го, когда в HP объявили о разработке образцов ячеек со стороной 3 нм и скоростью переключения порядка одной наносекунды. Попутно ученым удалось создать из таких элементов компактный 3D-массив на чипе, способный выполнять логические операции и работающий аналогично синапсам, то есть «сигнальным линиям между клетками нейронов в человеческом мозге».

Аналогию работы поясняют так. Скорость передачи сигнала по синапсу зависит от времени активации нейронов: чем меньше временной промежуток между активациями, тем быстрее передается сигнал по синапсу. Точно так же работает и массив мемристоров: при подаче тока с интервалами 20 мс сопротивление мемристора вдвое меньше, чем при интервалах 40 мс.

Одновременно и независимо от этих экспериментов HP, в других институтах и лабораториях развитие мемристоров пошло в несколько иных направлениях. В частности — к переносу идеи «резистора с памятью» на «конденсатор с памятью» (мем-емкость) и «индуктивность с памятью» (мем-индуктор).

Сведя все эти вещи в единую концепцию мемэлементов, Массимилиано Ди Вентра и Юрий Першин сумели выстроить модель принципиально нового вычислителя — мемкомпьютера, уже не нуждающегося в «транзисторах-нейронах», но по многим характерным чертам удивительно похожего на работу биологических систем и мозга в частности. Об этом, впрочем, имеет смысл рассказать чуть позже… А пока о другой стороне той же истории.

⇡#А было ли открытие?

Для всех, кто следит за развитием науки и технологий, давно уже не секрет, сколь важную роль в этом деле с некоторых пор стали играть так называемые связи с общественностью или, выражаясь более цинично, уловки пиара. Фактически любая научно-техническая инициатива требует сегодня значительных финансовых вложений, а потому для привлечения денег к проекту применяются самые разные трюки, вплоть до совершенно бесстыжей рекламной шумихи.

Конкретно в истории с мемристорами местом открытия оказалась корпорация-гигант Hewlett Packard, а потому неудивительно, что маховик рекламы «нового прорыва» раскрутился очень быстро и с впечатляющей мощью. За всем этим шумом, ясное дело, стало почти не слышно критических голосов от скептиков и сомневающихся. А такие люди, как известно, имеются всегда и повсюду, особенно в научной среде с ее изобилием грамотных профессионалов.

И вот что за вещи эти специалисты-оппоненты (ничуть не умаляя реальных успехов новаторов) говорят относительно идейной базы — «четвертого элемента, сделавшего теорию электросхем окончательно полной».

Прежде всего, следует отметить существенные различия между тем мемристором, который был теоретически предсказан Леоном Чуа в 1971 году и тем устройством, которое в 2008 году представили публике исследователи HP Labs. Гипотетический мемристор в теории не имеет никакой материальной памяти, а работа его основана на магнитном потоке. Однако наноконструкция, обнаруженная в HP, фактически представляет собой аналоговое запоминающее устройство, которое вообще не требует для своей работы эффектов магнетизма.

Другой существенный момент в том, что Леон Чуа, как человек, первым предложивший концепцию мемристора, предпочел не отвергать открытие HP Labs по причине очевидного несоответствия теории, а вместо этого изменил свою собственную позицию — относительно того, что представляет собой мемристор.

Как результат — теперь мемристорами именуют все, что проявляет в работе мемристивные свойства. Однако такого рода устройства и материалы были известны и описаны многими исследователями задолго до открытия HP Labs. Но только никто не называл их мемристорами — по причине несоответствия теоретической модели Чуа…

Куда более обширный и аккуратно обоснованный критический обзор ситуации вокруг всей этой истории можно найти в работе С. Вонгера «Недостающий мемристор» («The Missing Memristor: Novel Nanotechnology or rather new Case Study for the Philosophy and Sociology of Science?» by Sascha Vongehr, Advanced Science Letters 17, pp. 285-290 (2012), arXiv:1205.6129).

Самый же главный, пожалуй, довод критиков до недавнего времени сводился к двум таким взаимосвязанным моментам. Во-первых, три прежних базовых элемента — резистор, конденсатор, индуктивность — в своем каноническом виде имеют чрезвычайно простую реализацию: шнур, пара параллельных пластин, намотанный на катушку провод. Для мемристора же такого канонического простого воплощения не найдено. И даже более того (во-вторых), никто так и не продемонстрировал «настоящий» мемристор Чуа, связывающий электрический заряд и магнитный поток…

⇡#Мемристоры вокруг нас

Начиная с 2013 года из рядов куда более многочисленного движения «мемристорных энтузиастов» стали появляться публикации, парирующие критику оппонентов — результатами новых любопытных исследований и достаточно вескими историческими аргументами.

Особого упоминания на данный счет заслуживают две работы, которые ученые из индийского исследовательского центра mLabs, Варун Аггарвал и Гаурав Ганди, подготовили в сотрудничестве с Леоном Чуа. Внимательно осмотревшись вокруг свежим взглядом, эти авторы обнаружили, что мемристоры в действительности начинали применять еще на заре радиотехники, а простейшие физические реализации этого устройства для собственных исследований может практически задаром соорудить кто угодно.

Иначе говоря, «канонический мемристор» присутствовал в электротехнике по сути изначально, но только прежде никто его так не называл. Потому что для простых и несовершенных точечных контактов пионеры радиосвязи быстро нашли удачное применение уже в первых своих приемниках, однако никому и в голову не приходило, что эти устройства работают как мемристоры.

Одна из статей индийцев, опубликованная как технический отчет их лаборатории в онлайн-библиотеке препринтов ArXiv.org, рассказывает про «когерер» — исторически самый первый детектор радиосигналов в XIX веке, поначалу представлявший собой стеклянную трубку, заполненную металлическими опилками. Функционально устройства такого типа позволяли очень резко, в сотни раз, изменять проводимость в цепи при появлении сигнала, а по сути были реализацией несовершенного контакта типа «металл — металл» — в таких ситуациях, как точечные контакты между двумя металлическими шарами, в гранулированной среде или как интерфейс металл-ртуть («Simple metallic contacts and granular media exhibit bipolar switching» by Gaurav Gandhi and Varun Aggarwal, mLabs Technical Report MT-001, Aug 2012, arXiv:1306.0942).

Вторая статья тех же авторов посвящена другому хорошо известному устройству, которое в первых радиоприемниках пришло на смену когереру и в русском лексиконе носит название «кристаллический детектор», а в англоязычной среде известно как Cat’s-whisker — «кошачий ус». Детектор этого рода представлял собой полупроводниковую пластину, в которую упирался тонкий металлический провод-«ус», фактически это был первый в истории твердотельный диод (суть устройства отображена в общепринятом изображении диода на схемах), а функционально — несовершенный точечный контакт типа «металл-полупроводник». Иначе говоря, и для этой системы теперь продемонстрировано, что она работает как мемристор. («The first radios were made of memristors», by Gaurav Gandhi, Varun Aggarwal, Leon Chua. Circuits and Systems Magazine, IEEE 13.2: 8-16.)

После столь любопытных исторических открытий исследователи пришли к убеждению, что хотя и неявное, но повсеместное присутствие элементов с мемристивными свойствами в простых физических системах вокруг нас (в гранулированных средах, в частности) является сильнейшим указателем на фундаментальную природу мемристоров. Отсюда же, по их мнению, естественным образом извлекается и каноническое воплощение этого устройства — несовершенные точечные контакты, или, более образно, цепь гранулированного материала.

⇡#Мемкомпьютеры как побочный продукт грануляции

Итак, на сегодняшний день уже вполне ясно вот что. Опубликованное в 2008 году открытие ученых HP Labs не только помогло красиво объединить несколько разных областей — системы резистивной RAM, мемристоры и физику гранулированных сред, — но и дало начало существенно новой дисциплине в информатике, получившей название «мемкомпьютинг» («Memcomputing: a computing paradigm to store and process information on the same physical platform» by M. Di Ventra, Y. V. Pershin. Nature Physics 9, 200-202, 2013. arXiv:1211.4487; arXiv:1304.1675).

Суть этого нового подхода, в двух словах, сводится к тому, что открытые ныне компоненты схем с памятью, или «мем-элементы» (мемристоры, мем-емкости и мем-индукторы), способны сами выполнять одновременно как обработку, так и хранение информации. В условиях такой платформы, объединяющей в своих элементах процессоры и все виды памяти, полный цикл работы с начальными, промежуточными и финальными данными происходит быстро и параллельно в одном и том же месте.

Разработчики мемкомпьютерного направления особо отмечают, что состояния мемэлементов подстраиваются под входные сигналы и обеспечивают аналоговые возможности, недоступные в стандартных элементах электроники. А это приводит к адаптивной схемотехнике, обеспечивая эффективную аналогию для массивно-параллельных вычислений.

Переформулируя то же самое чуть иначе, можно сказать, что все эти особенности новой технологии поразительно похожи на то, как функционируют живые биологические организмы. А значит, у ученых появляются новые возможности для постижения поразительной эффективности природы и создания компьютерных систем, вдохновленных биологией.

Причем обязательно надо отметить и вот еще какой важный факт. Все эти новые элементы электронной схемотехники, как выяснилось, возникают в системах естественным образом — когда технология углубляется до уровня наномасштабов и начинает работать с молекулярной, или иначе, гранулированной структурой материалов. Другими словами, мемэлементы оказываются естественным побочным продуктом непрерывной миниатюризации электронных устройств…

Конечно же, тема быстро прогрессирующего ныне мемкомпьютинга однозначно заслуживает отдельного рассказа. Ну а здесь, в заключение, осталось лишь еще раз вспомнить слова Леона Чуа, вынесенные в заголовок, — про «пора переписывать учебники». И обратить внимание на забавную вещь.

Наука, спору нет, за последние 6-7 лет узнала массу нового и важного как про мемристоры, так и про устройство компьютерных схем, работающих на уровне молекулярной структуры материалов. Но вот пришло ли уже время переписывать учебники — это большой вопрос.

Потому что «настоящий» мемристор пока что в природе так и не найден, а тайна работы сознания в мозге все еще наукой не постигнута. И не исключено, что между этими ускользающими вещами имеется самая непосредственная связь…

* * *

Дополнительное чтение:

Если Вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Принцип работы «забывающего мемристора» похож на принцип работы нейрона мозга

Мозг человека — чрезвычайно сложная система. Узнать в деталях о том, что происходит внутри, ученые пытаются многие сотни лет. Сейчас, с развитием компьютерных технологий, это получается намного лучше, чем раньше. Процесс изучения мозга сдвинулся с мертвой точки и постепенно идет вперед.

Уже давно известно, что мы традиционно не слишком сильны в проведении сложных вычислений, зато наш мозг одновременно выполняет множество задач. Причем многе задачи он выполняет гораздо лучше, чем машина. Например, распознавание изображений человеку дается очень хорошо. У компьютеров, даже сложных нейронных систем, с этим похуже. Еще одной особенностью человека является то, даже самые сложные вычисления мы проводим с гораздо меньшими затратами энергии, чем компьютеры. Немудрено, что ученые стараются построить хотя бы упрощенную модель работы мозга человека.

Обычно речь идет о программной модели. Сейчас появились и попытки создать аппаратное обеспечение, способное действовать, как система нейронов определенной части мозга человека. Такую модель, например, пытались ранее создать специалисты Apple, Intel и некоторых других компаний при помощи обычных полупроводниковых элементов. В рамках нового проекта, который реализуется объединенными усилиями нескольких компаний и организаций, включая Hewlett Packard Enterprise и даже ВВС США, удалось разработать мемристор, который ведет себя, как нейрон. Выполняемая недавно таким элементом работа предопределяет его ответную реакцию. Этого специалистам удалось добиться благодаря распылению металла в твердом мемристоре.

Такую конструкцию элемента специалисты предложили после изучения принципа работы обычного нейрона. Во многих случаях активность нейрона определяется не только типом сигнала, получаемого этим элементом. На самом деле, у этого элемента есть краткосрочная память. Если конкретный нейрон уже получал сигналы в недавнем прошлом, то его легче активировать, чем нейрон, который таких сигналов не получал. С течением времени, если нейрон не получает сигналов, его ответная реакция приходит в норму.

Ученые решили создать искусственный элемент, который реагировал бы на сигналы подобным образом. Идея была реализована, для этого понадобилось использовать сразу несколько достижений науки и техники. В частности, пригодились результаты исследований ученых-материаловедов.

Мемристором называют пассивный элемент в микроэлектронике, способный изменять своё сопротивление в зависимости от протекавшего через него заряда (интеграла тока за время работы). Работа устройства обеспечивается за счет химических превращений в тонкой (5 нм) двухслойной плёнке диоксида титана. Один из слоев пленки слегка обеднен кислородом, и кислородные вакансии мигрируют между слоями под действием приложенного к устройству электрического напряжения.

Авторы исследования создали мемристор на основе кремния, кислорода и азота. Для того, чтобы переключать мемристор в состояние «активен», ученые использовали мельчайшие частицы серебра. Как только на мемристор подается ток, элемент нагревается. Его нагрев приводит к рассеиванию серебра в твердой среде мемристора. Возникают «провода», которые соединяют два конца мемристора. В результате мемристор становится проводником электрического тока.

Но интересно даже не это, а то, что происходит при отключении электричества. В этом случае можно ожидать, что элемент будет находиться в состоянии c низким сопротивлением. На самом деле, в этом случае возникает явление, которое называют переконденсация или Оствальдовское созревание.

Это процесс конденсации пересыщенной фазы вещества на поздних временах развития, когда закончен этап нуклеации, а рост крупных зёрен новой фазы (например, капель из пара) происходит за счёт более мелких в условиях «подавления без поедания», то есть растворения капель без их слипания. Явление впервые описано Оствальдом.

В случае мемристора это означает то, что серебро не находится долгое время в виде нанопроволоки. Частицы этого элемента собираются вместе, постепенно укрупняясь. Меньшие частицы одного и того же элемента собираются вместе. Мемристор ведет себя подобно нейрону. Если повторный сигнал был подан на мемристор почти сразу после получения первого сигнала, то его проводимость с элементами серебра остается прежней, то есть — высокой. Но если на мемристор долгое время не подавать электричество, серебряная нанопроволока разделяется на меньшие частицы, которые расходятся по объему мемристора, и проводимость его падает до первончальных значений.

Специалисты считают, что при помощи группы таких мемристоров можно построить небольшую модель участка головного мозга. Пока что простую, но если все пойдет хорошо, ученые надеются построить первый в мире нейронный компьютер с «глубоким мышлением».

Nature Materials, 2016. DOI: 10.1038/NMAT4756  (About DOIs).

Мемристор — это… Что такое 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).

Может быть описан как двухполюсник с нелинейной вольт-амперной характеристикой, обладающий гистерезисом.^{[источник не указан 79 дней]}

Символ мемристора

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.

Файл:Memristor.jpg An array of 17 purpose-built oxygen-depleted titanium dioxide memristors built at HP Labs, imaged by an atomic force microscope. The wires are about 50 nm, or 150 atoms, wide.^[2] Electric current through the memristors shifts the oxygen vacancies, causing a gradual and persistent change in electrical resistance.^[3]

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

См. также

Ссылки

В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 13 мая 2011.

Мемристор — Википедия. Что такое Мемристор

Знак мемристора

Мемри́стор (англ. memristor, от memory — память, и resistor — электрическое сопротивление) — пассивный элемент в микроэлектронике, способный изменять своё сопротивление в зависимости от протекавшего через него заряда (интеграла тока за время работы).

Может быть описан как двухполюсник с нелинейной вольт-амперной характеристикой, обладающий гистерезисом.^[1]

Математическая модель

Теория мемристора была создана в 1971 году профессором Леоном Чуа (англ.)русск. (Цай Шаотаном)^[2].

Устанавливает отношения между интегралами по времени силы тока, протекающего через элемент, и напряжением на нём. Долгое время мемристор считался теоретическим объектом, который нельзя построить.

Однако лабораторный образец запоминающего элемента, демонстрирующего некоторые свойства мемристора^[3][4], был создан в 2008 году коллективом учёных во главе с Р. С. Уильямсом в исследовательской лаборатории фирмы Hewlett-Packard^[5][6][7][8].

В отличие от теоретической модели, полученное устройство не накапливает заряд, подобно конденсатору, и не поддерживает магнитный поток, как катушка индуктивности. Работа устройства (изменение его свойств^[4]) обеспечивается за счет химических превращений в тонкой (5 нм) двухслойной плёнке диоксида 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. Гипотетически мемристоры смогут заменить транзисторы в части случаев.

Теоретически мемристорные запоминающие элементы могут быть более плотными и быстрыми, чем современная флеш-память. Также блоки из них могут заменить ОЗУ. Умение мемристоров «запоминать» заряд позволит впоследствии отказаться от загрузки системы компьютера: в памяти компьютера, отключённого от питания, будет храниться его последнее состояние. При поддержке со стороны программного обеспечения компьютер можно будет включить и начать работу с того места, на котором она была остановлена при выключении.

По заявлениям Hynix и Hewlett-Packard, технология готова к производству. Изначально сообщалось, что накопители на базе мемристоров выйдут в 2013 году^[9], но затем выпуск был перенесён на 2014 год.^[10][11]

В 2014 году HP опубликовала проект суперкомпьютера The Machine, в котором планируется использовать волоконно-оптические линии связи и память на базе мемристоров^[12]. Рабочий прототип устройства продемонстрирован в конце 2016 года, коммерциализация технологии ожидается к 2018 или 2019 году.^[13]

Перспективы применения в качестве вычислительных устройств

Мемристоры могут быть использованы не только для хранения данных. Так, М. Ди Вентра и Ю. В. Першиным была предложена концепция вычислительных машин, в которых хранение и обработка информации осуществляется одним и тем же физическим устройством, основанным на мемристорах^[14][15].

Рассматривается возможность применения мемристоров в качестве искусственных синапсов (весовых модулей) нейропроцессоров и искусственных нейросетей. Поведение мемристора напомининает работу биологического синапса — чем интенсивнее входной сигнал, тем выше пропускная способность синапса («вес» сигнала). Данное решение позволит сильно упростить конструкцию нейропроцессора и его стоимость, так как хорошо воспроизводится на уже имеющихся технологических линиях по производству микрочипов.

См. также

Примечания

1. ↑ Pershin, Y. V. & Di Ventra, M. (2011), «Memory effects in complex materials and nanoscale systems», Advances in Physics Т. 60 (2): 145, DOI 10.1080/00018732.2010.544961 
2. ↑ Chua, Leon O, «Memristor—The Missing Circuit Element», IEEE Transactions on Circuit Theory. 18.5 (1971): 507-519.
3. ↑ «The Missing Memristor: Novel Nanotechnology or rather new Case Study for the Philosophy and Sociology of Science?» by Sascha Vongehr, Advanced Science Letters 17, pp. 285-290 (2012), arXiv:1205.6129
4. ↑ ^{1 2} Бёрд Киви, Мемристоры: пора ли переписывать учебники? // 3DNews, 18 декабря 2014: «А было ли открытие? .. следует отметить существенные различия между тем мемристором, который был теоретически предсказан Леоном Чуа в 1971 году и тем устройством .. наноконструкция, обнаруженная в HP, фактически представляет собой аналоговое запоминающее устройство, которое вообще не требует для своей работы эффектов магнетизма.
5. ↑ HP Labs Proves Existence of New Basic Element for Electronic Circuits. “Memristor” discovery could lead to far more energy-efficient computing systems with memories that don’t forget, never need to be booted up (англ.), press-release, HP (April 30, 2008). Проверено 9 января 2015.
6. ↑ Strukov, Dmitri B., et al. «The missing memristor found.» // Nature 453.7191 (2008): 80-83. doi:10.1038/nature06932
7. ↑ Четвертый элемент: специалисты HP воплотили в жизнь технологию памяти, придуманную 37 лет назад Архивная копия от 26 февраля 2009 на Wayback Machine // IXBT, 05 Мая, 2008
8. ↑ Sally Adee. The Mysterious Memristor. Researchers at HP have solved the 37-year mystery of the memory resistor, the missing 4th circuit element. (англ.), IEEE Spectrum (1 May 2008). Проверено 9 января 2015.
9. ↑ HP, Hynix to launch memristor memory 2013 // EETimes, Peter Clarke, 2011-10-06
10. ↑ Разработка мемристоров завершена, но HP и Hynix не хотят подрывать рынок флэш-памяти Архивная копия от 18 мая 2017 на Wayback Machine // IXBT, 28 Сентября, 2012
11. ↑ Memristors’ one-year delay will hit IT in the wallet // ZDNet, July 10, 2012
12. ↑ Peter Bright. HP plans to launch memristor, silicon photonic computer within the decade Electrons, photons, and ions will work together to revolutionize computing. (англ.), arstechnica (Jun 11, 2014). Проверено 9 января 2015.
13. ↑ HP представила прототип суперкомпьютера, который в 8000 раз быстрее существующих ПК, Типичный программист. Проверено 6 декабря 2016.
14. ↑ M. Di Ventra, Y. V. Pershin. Memcomputing: a computing paradigm to store and process information on the same physical platform // Nature Physics 9, 200-202, 2013; arXiv:1304.1675 (англ.)
15. ↑ The Computer That Stores and Processes Information At the Same Time (англ.), MIT Technology review (November 21, 2012). Проверено 9 января 2015. «Emerging Technology From the arXiv».

Литература

Ссылки

Наука: Наука и техника: Lenta.ru

Недавно ученые описали устройство компьютера, принцип работы которого отличается от всех существующих вычислительных машин. Как и в человеческом мозге, за хранение информации и ее обработку в нем отвечает один и тот же структурный элемент — «электронный синапс». Юрий Першин, профессор Университета Южной Каролины и один из авторов работы, рассказал «Ленте.ру» о том, почему до сих пор не создан искусственный интеллект, можно ли компьютерную память заставить считать и когда нам ждать сверхскоростных и сверхкомпактных «флешек».

«Лента.ру»: Скажите, пожалуйста, что такое мемристор и что такое мемэлементы вообще? Когда такой термин появился?

Юрий Першин: В электронике существуют три основных хорошо известных элемента: сопротивление, конденсатор и катушка. До последнего времени все они рассматривались как элементы с постоянным откликом на внешние воздействия. Другими словами, сопротивление, емкость и индуктивность этих устройств являются постоянными величинами.

В 1971 году американский ученый Леон Чуа ввел понятие мемристора, сопротивления с памятью, название которого было образовано добавлением слова memory к традиционному resistor. Мемристор — это такой резистор, который запоминает воздействия, приложенные к нему в прошлом, и поэтому позволяет хранить в себе информацию. Формально говоря, это обобщение сопротивления на случай отклика с памятью. Несколько лет назад мы обобщили это понятие, [включив в него] случай конденсаторов и катушек, введя понятия конденсаторов с памятью и катушек с памятью. Все три такие теоретические устройства образуют класс memelements, о котором идет речь.

Насколько я понимаю, в 1971 году была разработана только теория мемристоров, а сами устройства появились гораздо позже?

Да, это так, но здесь есть свои тонкости. Действительно, в 2008 году специалисты из компании Hewlett Packard исследовали ячейку памяти, которая очень напоминает мемристор, описанный Леоном Чуа, и как раз обнаружили связь между теорией Чуа и поведением этой ячейки памяти. Такие элементы с памятью ведут себя достаточно близко к той теории, которая была введена Чуа, но, строго говоря, являются не идеальными мемристорами, а так называемыми мемристорными системами (memristive systems). По большому счету, их поведение довольно близко к тому поведению, которое было предсказано Чуа, но есть и отличия.

Ваша работа посвящена созданию теории вычисления при помощи системы мемэлементов. До сих пор такой теории, как я понял, не было. Как она соотносится с уже существующими работами над нейронными сетями?

Ученые давно занимаются задачами, связанными с искусственным интеллектом, и одним из подходов к его созданию являются нейронные сети (neural networks). Мемристоры могут быть использованы в нейронных сетях в качестве электронных синапсов. Сейчас этому применению мемристоров уделяется большое внимание.

Джон фон Нейман, автор архитектуры, определившей способ построения всех «классических» вычислительных устройств.

Вычислительные сети мемристоров, которыми мы занимаемся в настоящее время, имеют несколько другую архитектуру. Если в нейронных сетях имеются электронные нейроны и электронные синапсы, то в сетях мемристоров есть, условно говоря, только синапсы без нейронов. В каком-то смысле это несколько упрощенный подход, но он, тем не менее, позволяет решить некоторый класс задач, которые не могут быть решены другими методами с такой же эффективностью. В нашей новой работе мы как раз пытаемся понять круг таких задач. Преимуществом наших сетей мемристоров по сравнению с нейронными сетями является их относительная простота и, соответственно, лучшее понимание происходящих в них процессов.

Кроме того, рассмотрев все известные подходы к вычислениям в памяти, мы разобрались, что общего во всех этих подходах, и определили критерии, накладываемые на системы и на отдельные элементы этих систем, для того чтобы эти системы могли быть использованы для вычислений.

Основная идея вычислений в памяти заключается в следующем. Допустим, что у нас имеется некая большая электронная цепь (система), состоящая из электронных «нейронов», «синапсов» или просто мемэлементов, которые каким-то образом соединены между собой. Когда к этой системе прикладывается внешнее напряжение, статическое или динамическое, свойства мемэлементов цепи начинают меняться, влияя друг на друга. Такую эволюцию можно рассматривать как процесс вычисления. И в конечном итоге получается какой-то результат такого вычисления.

В обычных же компьютерах, которые построены на так называемой архитектуре фон Неймана (а это вся электроника, с которой мы обычно имеем дело), вычисления происходят не так. Обычный компьютер работает как конвейер — шаг за шагом перебрасывая данные из процессора в память и обратно. Мы же хотим получить устройство, в котором вычисления происходят параллельным образом и, за счет этого, гораздо эффективнее.

Откуда может возникать дополнительная эффективность? В чем преимущество системы мемристоров перед традиционной архитектурой компьютеров?

Одним из узких мест архитектуры фон Неймана является тот факт, что обработка и хранение информации физически разделены. То есть хранится информация в памяти, а обрабатывает ее процессор. В процессе работы такого компьютера необходимо перегонять большие объемы информации между процессором и памятью. Мы же хотим объединить обработку и хранение информации в одном месте, чтобы избежать такой излишней переброски данных.

Моделирование двумерного лабиринта системой мемристоров — показаны два участка соответствия. Мемристоры можно использовать для того, чтобы найти все пути в лабиринте, а в некоторых случаях эти пути можно ранжировать по длине.

Изображение: Yuriy V. Pershin/Massimiliano Di Ventra

Какие вычисления можно проводить при помощи такого устройства? Для каких задач оно наиболее приспособлено? Очень сложно представить, как такая система сможет, скажем, умножить два на два. Или это возможно?

У нас недавно вышла статья, в которой мы показали, что система мемристоров способна решать определенные задачи из теории графов. С помощью такой системы можно, например, найти решение задачи лабиринта — найти в нем кратчайший путь. Точнее говоря, система находит все пути, которые соединяют вход и выход, и в некоторых случаях позволяет отсортировать эти пути по длине. Подобные задачи о кратчайшем пути можно решить как для двумерного, так и для трехмерного лабиринта.

Кроме того, мы применили цепи из мемристоров для решения задачи коммивояжера и показали, что система позволяет найти приближенное решение этой задачи.

То есть все эти вычисления связаны с теорией графов?

На данном этапе — да. С другой стороны, известно, что с помощью мемристоров можно довольно легко реализовать логические операции, то есть реализовать эти элементарные «И», «ИЛИ» «НЕ», которые являются частью любого процессора. Физически такие микросхемы еще не создавались, хотя экспериментально, на уровне нескольких мемристоров, было показано, что они должны работать.

Нам как раз было бы интересно совместить память с логическими операциями, мы работаем над этой задачей. Уже сейчас в обычных компьютерах можно было бы часть операций проводить прямо в памяти, без переброски данных в процессор, представляете?

Кажется, что в памяти было бы хорошо реализовывать задачи, которые легко параллелизуются.

Да, задачи, может быть, связанные с графикой, обработкой изображений или видео. В настоящее время уже понятно, что мемристоры можно использовать для выполнения логических операций, с их помощью можно создавать различные нейронные сети. Непонятно, однако, чего ожидать от этих сетей и как их использовать.

А задачу перебора в криптографии можно решать при помощи мемристоров?

Пока я не знаю, честно говоря. То есть над этим, как мне кажется, никто пока еще и не думал. Преимущество мемристоров в том, что их можно создать очень много, соединить в цепь и использовать для параллельных вычислений. Однако как это должно работать — большой вопрос. Мы как раз занимаемся тем, чтобы найти те задачи, которые можно решать при помощи различных реализаций таких систем.

50 электронных нейронов проекта AANN Физические воплощения электронных нейронных сетей могут иметь весьма экзотический вид. Собранные здесь нейроны имеют ввод, вывод, способны суммировать сигнал и определять его пороговое значение. В данном случае все эти возможности используются в художественном проекте, для того чтобы производить довольно странные пищащие звуки в ответ на свет и музыку.

Понятно. Но мне казалось, что сети мемристоров, как и нейронные сети, в принципе, разрабатывались с расчетом на задачу более амбициозную, на создание искусственного интеллекта.

Это правда, многие годы ученые пытаются создать компьютер, который работал бы подобно головному мозгу человека. Этой задачей занимаются очень долго, может, уже лет пятьдесят, если не больше. И пока что большого прогресса в этой области нет.

Атомно-силовое изображение 17 мемристоров, полученных в лабораториях Hewlett Packard. Поперечник полос составляет около 50 нанометров, то есть в одном мемристоре помещается по 150 атомов в ширину. Каждая из полос представляет собой «сэндвич» из двух слоев металла и расположенного между ними диэлектрика — оксида титана.

R. Stanley Williams, Hewlett Packard Laboratories

Мне кажется, что это связано не с «железом» или отсутствующими технологиями, а с тем, что нет понимания того, как такой компьютер должен работать. И этого понимания не будет до тех пор, пока не будет понимания того, как работает мозг человека. Я думаю, как только ученые разберутся, что происходит у нас в голове, то, в принципе, железо более или менее уже готово для того, чтобы реализовать подобные функции.

В связи с этим хочется спросить, как вы относитесь к появлению двух новых мегапроектов в нейробиологии — европейского BLUE BRAIN, получившего полмиллиарда евро, и американского «Коннектом человека», о старте которого объявил недавно Обама. Они смогут как-то приблизить создание искусственного интеллекта?

В принципе, я на это смотрю со сдержанным оптимизмом. Посмотрим, что получится. То есть искусственным интеллектом занимаются уже много лет, но до сих пор успехи в этой области не слишком впечатляют. С другой стороны, возможно, просто не хватает какого-то маленького кусочка, какой-то новой концепции, которая потом окажется очень простой, но которой мы сейчас не имеем.

Учитывая тот факт, что нейробиологи (по признанию Патриции Чёрчленд) пока не знают даже того, как одиночный нейрон кодирует информацию, перспективы создания искусственного интеллекта на мемристорах выглядят довольно печальными.

На самом деле все не так грустно. Пока искусственный интеллект остается самой амбициозной целью в этой области, есть не менее интересные практические задачи. Например, создание электронной памяти, которая заменит обычную флеш-память. Я думаю, что такая память будет довольно скоро реализована.

Вы имеете в виду флеш-память на мемристорах?

Точнее говоря, память, которая заменит собой флеш-память, потому что флеш-память — это вполне определенная технология.

Мемристорной памятью занимаются коммерческие компании, поэтому информации о текущих достижениях в этой области немного. У такой памяти есть одно хорошо известное преимущество: она будет гораздо быстрее, чем обычная флеш-память. Это связано с тем, что время переключения мемристора из одного состояния в другое очень короткое, порядка нескольких наносекунд, в то время как запись информации в обычную флеш-память занимает порядка одной миллисекунды. То есть теоретически можно получить ускорение записи в 100 тысяч раз. Это будет очень быстрая память, которая сможет при этом хранить в несколько раз больше информации в том же объеме.

Года четыре назад представители Hewlett Packard обещали выпустить первые коммерческие образцы такой памяти в 2013 году. В прошлом году на одной из конференций Стен Вильямс, руководитель группы HP, которая занимается этими исследованиями, сказал, что в 2013-м они только собираются решить, будут ли начинать производство.

Здесь есть еще тонкости экономического плана, которые связаны с тем, что большие средства были инвестированы в заводы, производящие флеш-память. Сперва эти средства должны окупиться, и потом уже можно будет строить новое производство.

Мемристор: «недостающий элемент» | Нанотехнологии Nanonewsnet

Идея мемристора, реализованная на практике спустя 37 лет после её теоретического обоснования, может лечь в основу накопителей и компьютеров принципиально нового типа.

Первый опытный образец мемристора именно как функционального элемента электрической цепи был создан в лабораториях американской компании Hewlett-Packard в апреле 2008 года группой учёных под руководством Стенли Уильямса. Сегодня же в HP считают, что мемристоры начнут вытеснять с рынка флэш-память уже в будущем году, к 2014–2016 гг. они смогут заменить чипы оперативной памяти и жёсткие диски, а в 2020 году могут появиться и мемристорные компьютеры. Познакомимся с принципом работы и способами физической реализации этого интересного элемента.

Рис. 1.

Для начала немножко теории. 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 (Φ). Все эти четыре величины попарно соотносятся друг с другом, причём эти соотношения представлены в физических элементах электросхемы. Так, резистор (сопротивление) реализует взаимосвязь силы тока и напряжения, конденсатор (ёмкость) – напряжения и заряда, катушка индуктивности – магнитного потока и силы тока. 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, ёмкостей и индуктивностей.

В 1971 году американский физик Леон О. Чуа из Калифорнийского университета в Беркли выдвинул гипотезу, согласно которой должен существовать четвёртый 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 мемзистором – от слов «резистор» и «memory», то есть «память». Это название описывает одну из характеристик мемзистора, 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.

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.

Реализовать на практике эту красивую теорию удалось лишь в 2008 году, когда появились подходящие материалы и технологии. Достижение группы учёных HP под руководством Стэнли Уильямса в действительности трудно переоценить: впервые со времён Фарадея удалось физически воспроизвести принципиально новый элемент электрических цепей! Кстати, одним из ведущих разработчиков группы Уильямса и соавтором научной статьи о мемристорах в журнале Nature стал наш соотечественник Дмитрий Струков.

Конструктивно мемристоры значительно проще флэш-памяти: они состоят из тонкой 50-нм плёнки, состоящей из двух слоёв – изолирующего диоксида титана и слоя, обеднённого кислородом. Плёнка расположена между двумя платиновыми 5-нм электродами. При подаче на электроды напряжения изменяется кристаллическая структура диоксида титана: благодаря диффузии кислорода его электрическое сопротивление увеличивается на несколько порядков (в тысячи раз). При этом после отключения тока изменения в ячейке сохраняются. Смена полярности подаваемого тока переключает состояние ячейки, причём, как утверждают в HP, число таких переключений не ограничено.

На практике мемристор может принимать не только обычные для обычных чипов памяти два положения – 0 или 1, но и любые значения в промежутке от нуля до единицы, так что такой переключатель способен работать как в цифровом (дискретном), так и в аналоговом режимах.

Рис. 2.

Чтобы эффективно использовать свойства мемристоров, необходимо включить их в состав электрической цепи с активными элементами. В начале 2009 года в Hewlett-Packard была разработана такая гибридная микросхема. Чип представляет собой матрицу из 42 проводников диаметром 40 нм, 21 из которых натянуты параллельно друг другу, а другие 21 – перпендикулярно им. Слой диоксида титана толщиной 20 нм расположен между взаимно перпендикулярными проводниками, и в этих местах формируются мемристоры. Вокруг этой «сетки» расположен массив полевых транзисторов, подключённых к выводам мемристоров.

В августе 2010 года HP и известный производитель микросхем памяти Hynix Semiconductor основали совместное предприятие, которое будет заниматься выпуском мемристорных чипов и их продвижением на рынке в качестве перспективной альтернативы флэш-памяти. Уильямс считает, что серийное производство может быть развёрнуто уже к 2013 году. По его оценкам, при той же цене, что и флэш-память, мемристорные чипы будут обладать как минимум вдвое большим объёмом, будут существенно быстрее её и в десять раз экономичнее.

Разумеется, помимо научных сотрудников Hewlett-Packard исследованиями мемристоров занимаются и другие коллективы учёных. К примеру, в американском Университете Райса разрабатывают такие элементы памяти не из диоксида титана, а из гораздо более дешёвого оксида кремния, который легко получить из обычного песка. Расчётная толщина слоя оксида кремния составляет от 5 до 20 нм, скорость переключения – не более 100 нс. В Университете Райса была также успешно решена задача многократной записи в ячейки памяти на основе мемристоров из оксида кремния.

В американском Национальном институте стандартов и технологии (NIST) была разработана технология изготовления гибких элементов памяти на основе мемристоров из диоксида титана. В качестве подложки был использован полимерный материал, а получившийся элемент сохраняет работоспособность после четырёх тысяч циклов изгиба.

Рис. 3.

В апреле 2010 года в HP объявили о существенном прогрессе в исследованиях мемристоров: в лабораториях компании разработаны образцы ячеек со стороной 3 нм и скоростью переключения около одной наносекунды. Кроме того, учёным удалось создать трёхмерный массив таких элементов, способный выполнять логические операции и работающий аналогично синапсам – «сигнальным линиям» между нейронными клетками в мозгу человека. Скорость передачи сигнала по синапсу зависит от времени активации нейронов: чем меньше временной промежуток между активацией, тем быстрее передаётся сигнал по синапсу. Точно так же работает и массив мемристоров: при подаче тока с промежутками в 20 мс сопротивление мемристора вдвое меньше, чем при 40-мс промежутках.

По словам Стэнли Уильямса, менее чем через три года 3D-массив мемристоров позволит размещать 20 Гбайт данных в объёме 1 см3, сравнимом с кусочком сахара. Если же использовать достаточное количество мемристоров, то теоретически возможно создать действующую модель мозга – и не просто с возможностью вычислений, но и с функцией самообучения.

Исследования в области искусственного интеллекта, а конкретнее по созданию искусственного мозга на базе мемристоров, ведутся также в Университете штата Мичиган под руководством Вея Лу. Здесь была построена модель мемристора на основе слоя из смеси серебра и кремния и вольфрамовых электродов, причём в ближайших планах учёных – создание больших схем, состоящих из тысяч таких элементов.

Уже изученные свойства мемристоров позволяют говорить о том, что на их основе можно создавать компьютеры принципиально новой архитектуры, по производительности значительно превышающие полупроводниковые. Современные компьютеры построены на базе архитектуры фон Неймана: и данные, и программы хранятся в памяти машины в двоичном коде, причём вычислительный модуль отделён от устройств хранения, а программы выполняются последовательно, одна за другой. Прогрессивная в середине прошлого столетия, такая архитектура сегодня уже не отвечает требованиям, предъявляемым к компьютерной технике: программы стали намного сложнее, а объёмы обрабатываемых данных выросли на порядки, если не в десятки порядков.

Компьютер на базе мемристоров может стать существенным шагом вперёд, поскольку он способен моделировать работу человеческого мозга, в котором нет какого-то единого центра сбора и обработки информации. Каждый блок получает, перерабатывает и передаёт в другие блоки, на мышцы, органы чувств свои массивы данных, ничтожные по сравнению со всем объёмом поступающей информации. По недавним подсчётам, чтобы построить модель коры мозга человека из современных компьютерных комплектующих, потребуется как минимум 150 000 процессоров и 144 Тбайта одной только оперативной памяти, причём речь не идёт даже об интеллекте уровня младенца.

В мемристорном компьютере параллельно и независимо друг от друга работают множество модулей, а возможность запоминать и оперировать неограниченным множеством значений от 0 до 1 означает, что исполняемые программы не ограничены двоичным кодом. Более того, станут в принципе ненужными отдельные аппаратные компоненты компьютера – процессоры, видеочипы, память и жёсткие диски; машина будет архитектурно однородным устройством, где одновременно будут храниться все данные и проводиться все операции с ними. Для апгрейда достаточно будет установить дополнительные мемристорные модули, а для ремонта – заменить вышедшие из строя.

Мемристорный компьютер не надо будет «загружать»: сразу после включения он будет готов продолжить работу, причём с того самого места, на котором она была прервана. По сравнению с современной техникой, энергопотребление мемристорных машин будет ничтожным, а вычислительная мощь просто гигантской.

Учитывая, что до серийного производства мемристоров остался буквально один шаг, очень может быть, что именно мемристорный компьютер станет промежуточной ступенью на пути к квантовому компьютеру.