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.

Источник: electrik.info

Комментарии: