Мемристор способен хранить данные без затрат энергии на протяжении длительного времени.

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. 

Рис. 2

             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.