Τι είναι τα memristors και πού ισχύουν;

Το όνομα "memristor" προέρχεται από δύο λέξεις - μνήμη και αντίσταση. Αυτή η μικροηλεκτρονική συνιστώσα είναι ένα είδος παθητικού στοιχείου, ενός αντιστάτη, αλλά σε αντίθεση με μια συμβατική αντίσταση, ένα memristor έχει ένα είδος μνήμης.

Η κατώτατη γραμμή είναι ότι το memristor αλλάζει την αγωγιμότητά του σύμφωνα με την ποσότητα του ηλεκτρικού φορτίου που ρέει μέσα από αυτό - ανάλογα με την τιμή του ολοκληρώματος με την πάροδο του χρόνου που διέρχεται από το τρέχον στοιχείο. Ένα memristor μπορεί να περιγραφεί ως ένα δύο τερματικό με ένα μη γραμμικό CVC, και με μια ορισμένη υστέρηση.

Μια νέα λέξη στον κόσμο της πληροφορικής

Στις αρχές της δεκαετίας του '70, ο Αμερικανός καθηγητής Leon Chua πρότεινε ένα θεωρητικό μοντέλο, το οποίο περιγράφει τη σχέση μεταξύ της τάσης που εφαρμόζεται στο στοιχείο και του σημερινού ολοκλήρου με την πάροδο του χρόνου.

Για πολλά χρόνια, η θεωρία του καθηγητή Chua παρέμεινε μια θεωρία και μόνο το 2008 μια ομάδα επιστημόνων από τη Hewlett-Packard, με επικεφαλής τον Stanley Williams, δημιούργησε στο εργαστήριο ένα δείγμα ενός στοιχείου μνήμης που συμπεριφερόταν παρόμοια με το θεωρητικά περιγραφόμενο memristor, αν και ήταν διαφορετικό από το προτεινόμενο memristor προηγούμενο θεωρητικό μοντέλο.

Η συσκευή δεν υποστήριζε μαγνητική ροή σαν επαγωγέα, δεν συσσωρεύτηκε ηλεκτρικό φορτίο όπως έναν πυκνωτή, και δεν συμπεριφέρθηκε καθόλου σαν μια κανονική αντίσταση. Το τέταρτο στοιχείο! Οι αγώγιμες ιδιότητές του άλλαξαν λόγω των χημικών μετασχηματισμών σε μία μεμβράνη διοξειδίου του τιτανίου διπλού στρώματος πάχους 5 nm.

Το πρώτο στρώμα του φιλμ εξαντλείται από οξυγόνο και επομένως, όταν εφαρμόζεται ηλεκτρική τάση σε αυτή τη νανοϊονική συσκευή (μέσω ηλεκτροδίων πλατίνας), οι κενές θέσεις οξυγόνου αρχίζουν να μετακινούνται μεταξύ της πρώτης και της δεύτερης στιβάδας, πράγμα που οδηγεί σε αλλαγή στην αντίσταση της συσκευής.

Ήδη σε αυτό το στάδιο είναι σαφές ότι το φαινόμενο της υστέρησης επιτρέπει τη χρήση των memristors ως κύτταρα μνήμης και σε ορισμένες πτυχές της ηλεκτρονικής είναι πιθανό να είναι σε θέση να αντικαταστήσουν τρανζίστορ ημιαγωγών.

Ευρείες προοπτικές για την εφαρμογή των memristors

Θεωρητικά, η μνήμη memristor μπορεί να αποδειχθεί ταχύτερη και πιο πυκνή από την κοινή μνήμη flash σήμερα και με τη μορφή μπλοκ μπορεί να αντικαταστήσει την κύρια μνήμη.

Δεδομένου ότι οι memristors απομνημονεύουν με κάποιο τρόπο τη χρέωση που διέρχεται μέσω αυτών, κατ 'αρχήν αυτό θα επιτρέψει στους υπολογιστές να αρνηθούν να φορτώσουν το λειτουργικό σύστημα κάθε φορά που ο υπολογιστής είναι ενεργοποιημένος μετά το κλείσιμο και όταν είναι ενεργοποιημένος, για να ξεκινήσει αμέσως την εργασία, επαναλαμβάνοντας την από την τελευταία αποθηκευμένη κατάσταση λειτουργικού συστήματος.

Η Hewlett-Packard και η Hynix έχουν ήδη δηλώσει ότι η τεχνολογία είναι βασικά έτοιμη για εφαρμογή. Πίσω το 2014, δημοσίευσαν το έργο τους για τον υπερυπολογιστή "The Machine" και το 2016 παρουσίασαν το πρωτότυπο - με μνήμη βασισμένη σε memristors και γραμμές οπτικών ινών. Η εμπορευματοποίηση δεν έχει πραγματοποιηθεί ακόμη, αλλά αναμένεται τα επόμενα χρόνια.

Καταρχήν, τα memristors είναι κατάλληλα όχι μόνο για την αποθήκευση δεδομένων, μπορούν επίσης να συμμετέχουν στην επεξεργασία πληροφοριών, επιπλέον, η ίδια μονάδα μνήμης μπορεί να εκτελέσει και τις δύο λειτουργίες.

Υπόθετα, στο εγγύς μέλλον, τα memristors θα βοηθήσουν στη δημιουργία τεχνητών συνάψεων ως μέρος τεχνητών νευρωνικών δικτύων, και τα προϊόντα μπορούν να κατασκευαστούν με πρότυπο εξοπλισμό μικροτσίπ. Μια memristor συμπεριφέρεται με έναν πολύ παρόμοιο τρόπο με μια synapse: όσο μεγαλύτερο το σήμα περνά μέσα από αυτό, τόσο καλύτερα περνάει το σήμα στο μέλλον.

Σε γενικές γραμμές, οι προοπτικές για την εφαρμογή των memristors είναι αρκετά ευρείες. Ενεργειακά αποδοτικά συστήματα υπολογιστών με δυναμική μνήμη, με δυνατότητα διατήρησης της τρέχουσας κατάστασης ακόμη και μετά την απενεργοποίηση της ενέργειας - αυτό είναι ένα πολύ ισχυρό άλμα προς τα εμπρός.

Στον ορίζοντα, τουλάχιστον, μια βελτιωμένη τάξη ολοκληρωμένων κυκλωμάτων στα οποία τα πλεονεκτήματα των πυκνωτών και των επαγωγικών (όσον αφορά την ικανότητα διατήρησης της κατάστασής τους) θα επιτευχθούν στη νανοκλίμακα. Τηλεπισκόπηση, τεχνητά νευρομορφικά βιολογικά συστήματα κ.λπ.

Δεδομένης της αυξανόμενης χρήσης του cloud computing και της σύγχρονης κλίμακας Big Data, η ανάγκη για ισχυρά εξαρτήματα υλικού θα αυξηθεί μόνο, πράγμα που σημαίνει ότι η αρχή της ταχείας ανάπτυξης της αγοράς memristor είναι μόνο θέμα χρόνου. Επιπλέον, αν λάβουμε υπόψη την προοπτική (με την εισαγωγή των memristors) της αυξανόμενης παραγωγικότητας με τη μείωση της απόδοσης θερμότητας, γίνεται λογικό ότι στο εγγύς μέλλον οι δυσκολίες που σχετίζονται με την σημερινή πολυπλοκότητα των memristors ως προϊόντων θα ξεπεραστούν.

Εδώ είναι μόνο δέκα σημαντικοί παράγοντες της βιομηχανίας σήμερα: η HP Development Company LP, η Fujitsu, η IBM, η Adesto Technologies Corporation, η SK Hynix, η Crossbar, η Rambus, η HRL Laboratories LLC και η Knowm, Inc.

Ο τεχνητός εγκέφαλος είναι πολύ κοντά

Φυσικά, η πρακτική είναι ακόμα μακριά, αλλά τα περιγράμματα της ιδέας είναι ήδη απειλητικά. Ο ανθρώπινος εγκεφαλικός φλοιός έχει πυκνότητα συνάψεως 1.000.000.000 ανά τετραγωνικό εκατοστό, αλλά για όλη του την πολυπλοκότητα, οι συνάψεις στον εγκέφαλο καταναλώνουν εξαιρετικά χαμηλή ισχύ. Η μη γραμμική δυναμική και η ικανότητά τους να διατηρούν αναμνήσεις εδώ και δεκαετίες πάντα έπληξαν τους επιστήμονες.

Ο στόχος της δημιουργίας ενός ηλεκτρονικού μοντέλου του εγκεφάλου με ηλεκτρονικά ισοδύναμα συνάψεως φαινόταν ανέφικτο. Αλλά σήμερα, όταν οι εργασίες για τις συσκευές memristor βρίσκονται σε εξέλιξη, οι μηχανικοί έχουν κερδίσει την ελπίδα να προσεγγίσουν την αναπαραγωγή μιας αρχιτεκτονικής ενός πραγματικού εγκεφάλου που βασίζεται στην ηλεκτρονική, ικανή να προσαρμοστεί στο περιβάλλον.