Чипы памяти и логические элементы
на основе мемристоров.
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). Благодаря сочетанию скорости, выносливости, плотности и
энергоэффективности мемристоры могут заменить DRAM и жесткие диски.
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
года, 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, но
пока мы в самом начале пути: наши знания непрерывно растут, а технологии
совершенству ются (по оценкам специалистов, реальный вывод мемристоров на рынок
может занять от 15 до 20 лет).
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.
Еще 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.
Создание
3D-массивов мемристоров позволит размещать 20 Гбайт данных в объёме 1 см3.
Уже изученные свойства мемристоров позволяют говорить о том, что на их основе
можно создавать компьютеры принципиально новой архитектуры, по
производительности значительно превышающие полупроводниковые.
Прогрессивная в середине прошлого столетия 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 даже работу человеческого мозга. По сравнению с современной техникой, энергопотребление мемристорных машин будет ничтожным, а вычислительная мощь просто гигантской. Становится возможным построение цепей, подобных нейронам и синапсам, в пределах кристаллов электронных чипов. Создание сложных нейронных сетей на электронном уровне позволяет, в свою очередь, реализовать такие функции, как самообучение, восприятие, память и логическое мышление. Эти функции являются весьма востребованными в самых различных областях, в областях автоматизации производств, при создании интеллектуальных самостоятельных роботов.