Идея мемристора была теоретически обоснована 37 лет назад. Реализованная физически совсем недавно, она может стать базой для компьютеров и накопителей нового поколения.
В апреле 2008 специалисты компании Hewlett-Packard, руководимые Стенли Уильямсом, создали экспериментальный образец мемристора, пригодный для использования в электрической цепи. По мнению его создателей, мемристоры уже в будущем году потеснят флэш-память на рынке, а лет через пять или раньше их уже будут использовать в качестве жестких дисков и чипов оперативной памяти. Не за горами и появление мемристорных компьютеров.
В чем же заключается принцип работы, и каковы способы практической реализации этого необычного нового элемента? Физические величины, которыми описывается электрическая цепь, попарно связаны друг с другом. Это сила тока и заряд, напряжение и магнитный поток. Эта связь представлена в физических компонентах электросхемы. Например, в конденсаторе реализуется взаимосвязь напряжения и заряда, в резисторе – напряжения и силы тока, в катушке индуктивности – соотношение силы тока и магнитного потока. Эти пассивные элементы в электротехнике считаются базовыми, поскольку теоретически любую, даже самую сложную схему можно представить в виде эквивалентной, состоящей только из емкостей, сопротивлений и индуктивностей.
Американским физиком Леоном О. Чуа в 1971 сделано предположение о существовании еще одного базового элемента электросхемы, который реализует взаимную связь между магнитным потоком и зарядом. Его нельзя смоделировать из других пассивных элементов, но уже тогда можно было рассматривать, как комбинацию активных элементов. В качестве таких активных элементов могут рассматриваться, например, операционные усилители.
Ученый дал имя этому элементу – мемристор, составленное из двух слов – память (memory) и резистор. В этом названии выражается одна из характеристик элемента, так называемый «эффект памяти», т.е. приложенная ранее сила изменяет его свойства, а именно, величина сопротивления элемента меняется в зависимости от количества пропущенного через него заряда. Это позволяет применять мемристор в качестве ячейки памяти. Сопротивление мемристора было названо мемризистивностью (М), которая определяется, как отношение изменения величины потока магнитного поля к изменению заряда, а его величина зависит от того, насколько долго через мемристор проходил электрический ток, т.е. от количества заряда, пропущенного через него.
Мемристор отличается от большинства видов современных полупроводниковых элементов памяти тем, что его свойства не хранятся в виде заряда. В этом заключается и его основное преимущество, так как он не боится утечки заряда – главной беды, от которой стремятся избавиться при переходе на «наномикросхемы». Еще одно достоинство мемристора – его энергонезависимость. Эти свойства обеспечивают сохранность данных на мемристоре столько же времени, сколько будут существовать материалы, использовавшиеся при его изготовлении. Та же флэш-память уже через год хранения без подключения ее к электрическому току начинает терять записанные данные.
Эта красивая теория нашла практическое выражение только в 2008, когда появились необходимые технологии и материалы. Невозможно переоценить достижение Стэнли Уильямса и его коллег, которым впервые удалось реализовать на практике принципиально новый компонент физической цепи.
Конструкция мемристоров существенно проще флэш-памяти. Эти элементы представляют собой двухслойную тонкую 50-нм пленку, помещенную между двумя 5-нм электродами из платины. Один из слоев - обедненный кислородом, а другой – изолирующий диоксид титана. Под воздействием напряжения, подаваемого на электроды, начинает меняться структура кристаллов диоксида титана – диффузия кислорода приводит к увеличению его электрического сопротивления в 1000 раз. Эти изменения в ячейке не исчезают и после отключения тока. Меняя полярность подаваемого напряжения, можно переключать состояние ячейки, и число этих переключений, по утверждению авторов изобретения, не ограничено.
Еще одно замечательное качество мемристора - в том, что он может принимать не два положения памяти – 0 и 1, как обычные чипы, но любые другие в промежутке между нулем и единицей, поэтому переключатель может работать и в аналоговом, и в цифровом (дискретном) режиме.
Наиболее эффективно свойства мемристоров используются при их включении в электрическую цепь, содержащую активные элементы. Такую гибридную микросхему разработали в HP в начале 2009 года. Это матрица из 42 проводников толщиной 40 нм, половина из которых располагается параллельно друг другу, а вторая половина – перпендикулярно им. Мемристоры формируются в 20-нм слое диоксида титана, лежащего между проводниками, расположенными взаимно перпендикулярно. Эту «сетку» окружает блок полевых транзисторов, соединенных с выводами мемристора.
Выпускать мемристорные чипы, а также продвигать их на рынке, как перспективную альтернативу флэш-памяти, будет организованное HP и Hynix Semiconductor совместное предприятие. По мнению Уильмса, есть все условия для того, чтобы начать серийный выпуск уже к 2013 году. При одинаковой цене с флэш-памятью, объем памяти у мемристоров будет, как минимум, в два раза больше. Кроме того, они будут значительно быстрее и экономичнее ее.
Конечно, изучением мемристоров занимаются не только в Hewlett-Packard, но и другие ученые. Например, подобные элементы памяти разрабатываются и в Университете Райса. Там вместо диоксида титана используют оксид кремния, который значительно дешевле и более прост в получении, его делают из обычного песка. Теоретическая толщина слоя из оксида кремния – 5-20 нм, время переключения – до 100 нс. Сотрудники университета добились возможности многократной записи в такие ячейки памяти.
Технология изготовления элементов питания на основе мемристоров со слоем из диоксида титана и подложкой из полимерного материала была разработана в Национальном институте стандартов и технологий США. Такие гибкие мемристоры гарантируют нормальную работу даже после 4 тысяч изгибов.
Весной 2010 года в лаборатории HP были созданы образцы ячеек со сторонами 3 нм и временем переключения 1 нс. Помимо этого ученые смогли создать из этих элементов трехмерный массив, который работает и выполняет логические операции подобно синапсам – неким «сигнальным линиям», действующим между нейронами человеческого мозга. Сигналы по синапсу передаются со скоростью, зависящей от времени активации нейронных клеток – чем оно меньше, тем скорость передачи выше. Аналогично функционирует и массив мемристоров – значение сопротивления мемристора при подаче тока с интервалами 20 мс вдове меньше, чем при интервалах 40 нс.
Стэнли Уильямс считает, что понадобится меньше трех лет, чтобы добиться размещения в 3D-массиве мемристоров объемом в 1 кубический сантиметр 20 Гб данных. В теории, при использовании достаточного числа мемристоров можно создать действующий прототип человеческого мозга, который сможет не только вычислять, но и будет обладать возможностью самообучения.
Группа ученых, руководимых Веем Лу из Мичиганского Университета, занимается исследованиями в области искусственного интеллекта, работая над созданием искусственного мозга на базе мемристоров. Они построили модель мемристора, используя в качестве основы слой из кремниево-серебряной смеси и вольфрамовые электроды. В ближайшее время ученые планируют создать большие схемы, в которые войдут тысячи таких элементов.
На основе изученных на сегодняшний день свойств мемристоров уже можно говорить о создании компьютеров с архитектурой, принципиально отличающейся от современной, быстродействие которых будет значительно выше имеющихся полупроводниковых, которые созданы на основе архитектуры фон Неймана. В них программы и данные хранятся в памяти устройства в двоичном коде, модуль вычислений и устройство хранения отделены друг от друга, выполнение программ происходит последовательно. И если в середине прошлого века такая архитектура считалась передовой, то в настоящий момент, когда сложность программ и объемы обрабатываемой информации неизмеримо выросли, она уже отстает от требований, которые предъявляются к компьютерной технике.
Мемристорный компьютер может стать настоящим прорывом, так как способен смоделировать работу нашего мозга, в котором информация поступает и обрабатывается не каким-то единым центром, а отдельными блоками, получающими, перерабатывающими и передающими в другие блоки свои массивы данных, являющиеся ничтожно малой частью огромного объема поступающей информации. Было подсчитано, что для построения модели коры головного мозга с интеллектуальным уровнем младенца, используя только уже известные компьютерные комплектующие, необходимо 144 Тбайт оперативной памяти и не менее 150 тысяч процессоров.
В компьютере на основе мемристоров множество модулей работают параллельно и независимо друг от друга. При этом выполняемые программы не ограничиваются двоичным кодом, поскольку компьютер может запоминать и работать с безграничным числом значений от 0 до 1. Более того, отпадет необходимость в таких аппаратных компонентах, как процессоры, память, видеочипы и жесткие диски. В плане архитектуры машина будет представлять собой однородное устройство, которое одновременно хранит все данные и оперирует с ними. Обновление или ремонт компьютеров будет заключаться в установке дополнительных или замене сломавшихся мемристорных модулей, а ремонт – в замене вышедших из строя новыми.
Еще одна отличительная черта мемристорного компьютера состоит в том, что ему не требуется «загрузка» после включения, так как после запуска он продолжит прерванную работу с того самого момента, на котором был остановлен. Гигантская вычислительная мощь мемристорных устройств будет сочетаться с ничтожным, по сравнению с существующей компьютерной техникой, потреблением электроэнергии.
Если принять во внимание, что до серийного выпуска мемристоров нас отделяет буквально единственный шаг, то можно предположить - именно компьютер на мемристорах будет промежуточным этапом на пути к созданию квантового компьютера.