Co to są memrystory i gdzie mają zastosowanie?

Nazwa „memristor” pochodzi od dwóch słów - pamięci i rezystora. Ten element mikroelektroniczny jest rodzajem elementu pasywnego, rezystora, ale w przeciwieństwie do konwencjonalnego rezystora, memrystor ma rodzaj pamięci.

Najważniejsze jest to, że memrystor zmienia swoją przewodność zgodnie z ilością przepływającego przez nią ładunku elektrycznego - w zależności od wartości całki w czasie przechodzącej przez składową prądową. Memristor można opisać jako dwubiegunowy z nieliniowym CVC i z pewną histerezą.

Nowe słowo w świecie informatyki

Na początku lat 70. amerykański profesor Leon Chua zaproponował model teoretyczny, który opisuje związek między napięciem przyłożonym do elementu a całką prądową w czasie.

Przez wiele lat teoria profesora Chua pozostawała teorią i dopiero w 2008 r. Grupa naukowców z Hewlett-Packard, kierowana przez Stanleya Williamsa, stworzyła w laboratorium próbkę elementu pamięci, który zachowywał się podobnie do teoretycznie opisanego memrystora, chociaż był inny niż proponowany memristor wcześniejszy model teoretyczny.

Urządzenie nie wspierało strumienia magnetycznego jak cewka indukcyjna, nie akumulowało ładunku elektrycznego jak kondensatori wcale nie zachowywał się jak zwykły opornik. Czwarty element! Jego właściwości przewodzące zmieniły się w wyniku przemian chemicznych w dwuwarstwowej warstwie dwutlenku tytanu o grubości 5 nm.

Pierwsza warstwa folii jest pozbawiona tlenu, a zatem po przyłożeniu napięcia elektrycznego do tego urządzenia nanoionowego (przez elektrody platynowe) puste miejsca tlenowe zaczynają migrować między pierwszą a drugą warstwą, co prowadzi do zmiany rezystancji urządzenia.

Już na tym etapie jasne jest, że zjawisko histerezy pozwala na użycie memrystorów jako komórek pamięci, aw niektórych aspektach elektroniki prawdopodobnie będą w stanie samodzielnie się wymienić tranzystory półprzewodnikowe.

Szerokie perspektywy wdrożenia memrystorów

Teoretycznie pamięć memristor może okazać się szybsza i bardziej gęsta niż popularna obecnie pamięć flash, aw postaci bloków może zastąpić pamięć główną.

Ponieważ memrystory w jakiś sposób zapamiętują ładunek przez nie przerzucony, w zasadzie pozwoliłoby to komputerom odmawiać ładowania systemu operacyjnego za każdym razem, gdy komputer jest włączany po wyłączeniu, a po włączeniu, aby natychmiast rozpocząć pracę, wznawiając go od ostatniego zapisanego stanu systemu operacyjnego.

Hewlett-Packard i Hynix stwierdzili już, że technologia jest zasadniczo gotowa do wdrożenia. W 2014 r. Opublikowali swój projekt superkomputera „Maszyna”, aw 2016 r. Zademonstrowali jego prototyp - z pamięcią opartą na pamięciach i światłowodowych liniach komunikacyjnych. Komercjalizacja jeszcze się nie odbyła, ale spodziewana jest w nadchodzących latach.

Zasadniczo pamięci nadają się nie tylko do przechowywania danych, mogą również uczestniczyć w przetwarzaniu informacji, ponadto ta sama jednostka pamięci może wykonywać obie funkcje.

Hipotetycznie w niedalekiej przyszłości memrystory pomogą tworzyć sztuczne synapsy jako część sztucznych sieci neuronowych, a produkty mogą być budowane na standardowym sprzęcie mikroczipowym. Memrystor zachowuje się bardzo podobnie do synapsy: im większy sygnał przez niego przechodzi, tym lepiej przepuszcza sygnał w przyszłości.

Ogólnie rzecz biorąc, perspektywy wdrożenia memrystorów są dość szerokie. Energooszczędne systemy komputerowe z pamięcią dynamiczną z możliwością utrzymania obecnego stanu nawet po wyłączeniu zasilania - to bardzo silny krok naprzód.

Na horyzoncie przynajmniej ulepszona klasa układów scalonych, w której zalety kondensatorów i indukcyjności (pod względem zdolności do utrzymania ich stanu) zostaną osiągnięte w nanoskali. Teledetekcja, sztuczne neuromorficzne systemy biologiczne itp.

Biorąc pod uwagę rosnące wykorzystanie przetwarzania w chmurze i nowoczesną skalę Big Data, zapotrzebowanie na potężne komponenty sprzętowe będzie rosło, co oznacza, że ​​początek szybkiego wzrostu rynku kart pamięci jest tylko kwestią czasu. Ponadto, jeśli weźmiemy pod uwagę perspektywę (wraz z wprowadzeniem memrystorów) zwiększenia wydajności przy obniżeniu wytwarzania ciepła, logiczne staje się, że w najbliższej przyszłości trudności związane z obecną złożonością memristorów jako produktów zostaną przezwyciężone.

Oto tylko dziesięciu głównych graczy w branży: HP Development Company LP, Fujitsu, IBM, Adesto Technologies Corporation, SK Hynix, Crossbar, Rambus, HRL Laboratories LLC i Knowm, Inc.

Sztuczny mózg jest tuż za rogiem

Oczywiście, praktyka jest jeszcze daleka, ale zarys idei już się zbliża. Ludzka kora mózgowa ma gęstość synaps wynoszącą 1 000 000 000 na centymetr kwadratowy, ale mimo całej swojej złożoności synapsy w mózgu zużywają wyjątkowo małą moc. Ich nieliniowa dynamika i zdolność do przechowywania wspomnień przez dziesięciolecia zawsze zadziwiała naukowców.

Cel stworzenia elektronicznego modelu mózgu z elektronicznymi odpowiednikami synaps wydawał się nieosiągalny. Ale dziś, gdy trwają prace nad urządzeniami memrystorowymi, inżynierowie zyskali nadzieję na zbliżenie się do reprodukcji architektury prawdziwego mózgu opartego na elektronice, zdolnego do adaptacji do środowiska.