Co jsou memristory a kde jsou použitelné?

Jméno "memristor" pochází ze dvou slov - paměti a odporu. Tato mikroelektronická složka je druh pasivní složky, rezistor, ale na rozdíl od konvenčního rezistoru má memristor určitou paměť.

Pointa je, že memristor mění svou vodivost v závislosti na množství elektrického náboje protékajícího - v závislosti na hodnotě integrálu v průběhu času, který prochází aktuální složkou. Memristor lze popsat jako dvoukoncový s nelineárním CVC a s určitou hysterezí.

Nové slovo ve světě výpočetní techniky

Na počátku 70. let navrhl americký profesor Leon Chua teoretický model, který popisuje vztah mezi napětím aplikovaným na prvek a současným integrálem v čase.

Po mnoho let zůstala teorie profesora Chua teorií a teprve v roce 2008 skupina vědců z Hewlett-Packard, vedená Stanleym Williamsem, vytvořila v laboratoři vzorek paměťového prvku, který se choval podobně jako teoreticky popsaný memristor, i když se lišil od navrhovaného memristora dřívější teoretický model.

Zařízení nepodporovalo magnetický tok jako induktor, nenakumulovalo elektrický náboj jako kondenzátor, a nechoval se vůbec jako normální odpor. Čtvrtá složka! Jeho vodivé vlastnosti se změnily v důsledku chemických transformací ve dvouvrstvém filmu oxidu titaničitého o tloušťce 5 nm.

První vrstva filmu je zbavena kyslíku, a proto, když je na toto nanoionické zařízení (prostřednictvím platinových elektrod) přivedeno elektrické napětí, začnou prázdná místa kyslíku migrovat mezi první a druhou vrstvou, což vede ke změně odporu zařízení.

Již v této fázi je zřejmé, že fenomén hystereze umožňuje použití pamětníků jako paměťových buněk a v některých aspektech elektroniky se pravděpodobně budou moci nahradit polovodičové tranzistory.

Široké vyhlídky na implementaci pamětníků

Teoreticky se může paměť memristoru ukázat být rychlejší a hustší než flash paměť běžná dnes a ve formě bloků může nahradit hlavní paměť.

Protože si pamatátoři nějak pamatují poplatek, který jim prošel, v zásadě by to umožnilo počítačům odmítnout načíst operační systém pokaždé, když je počítač zapnutý po vypnutí, a když je zapnutý, okamžitě začít pracovat a obnovit jej z posledního uloženého stavu OS.

Hewlett-Packard a Hynix již uvedly, že tato technologie je v podstatě připravena k implementaci. V roce 2014 publikovali svůj projekt pro superpočítač „The Machine“ a v roce 2016 předvedli svůj prototyp - s pamětí založenou na pamětnících a optických komunikačních linkách. Komercializace dosud neproběhla, ale očekává se v příštích letech.

Memristory jsou v zásadě vhodné nejen pro ukládání dat, mohou se také podílet na zpracování informací, navíc může stejná paměťová jednotka vykonávat obě funkce.

Hypoteticky, v blízké budoucnosti, memristors pomůže vytvořit umělé synapsí jako součást umělých neuronových sítí a produkty mohou být postaveny na standardních mikročipových zařízeních. Memristor se chová velmi podobně jako synapse: čím větší signál prochází, tím lépe prochází v budoucnu.

Vyhlídky na implementaci pamětníků jsou obecně poměrně široké. Energeticky efektivní výpočetní systémy s dynamickou pamětí se schopností udržet aktuální stav i po vypnutí napájení - to je velmi silný skok vpřed.

Na obzoru bude přinejmenším zlepšená třída integrovaných obvodů, ve kterých budou výhody kondenzátorů a indukčnosti (z hlediska schopnosti udržovat jejich stav) dosaženy v nanoměřítku. Dálkové snímání, umělé neuromorfní biologické systémy atd.

Vzhledem k rostoucímu využívání cloud computingu a modernímu měřítku velkých dat roste potřeba výkonných hardwarových komponent, což znamená, že začátek rychlého růstu trhu memristorů je jen otázkou času. Kromě toho, pokud vezmeme v úvahu vyhlídky (se zavedením pamětníků) na zvýšení produktivity se snížením tvorby tepla, je logické, že v blízké budoucnosti budou překonány obtíže spojené se současnou složitostí pamětníků jako produktů.

Dnes je zde jen deset hlavních průmyslových hráčů: HP Development Company LP, Fujitsu, IBM, Adesto Technologies Corporation, SK Hynix, Crossbar, Rambus, HRL Laboratories LLC a Knowm, Inc.

Umělý mozek je hned za rohem

Praxe je samozřejmě stále daleko, ale obrysy myšlenky se již blíží. Lidská mozková kůra má hustotu synapse 1 000 000 000 na čtvereční centimetr, ale pro celou svou složitost synapsy v mozku spotřebovávají extrémně nízkou energii. Jejich nelineární dynamika a schopnost uchovat vzpomínky po celá desetiletí vždy vědce ohromila.

Cíl vytvořit elektronický model mozku s ekvivalenty elektronické synapse se zdálo nedosažitelný. Ale dnes, když probíhají práce na pamětních zařízeních, získali inženýři naději na přístup k reprodukci architektury skutečného mozku založeného na elektronice, která se dokáže přizpůsobit prostředí.