Будущее майнинга: мемристоры

В то время, как проблема масштабируемости современной «классической» микроэлектроники, построенной на транзисторах, становится всё более актуальной, — как с технологической, так и с экономической точки зрения: ведущие инженеры стараются найти что-то принципиально новое в погоне за сверхпроизводительностью. И очень похоже на то, что всё-таки нашли.

Проблемы транзисторных вычислительных схем

Транзисторы, безусловно совершили революцию в том, как человечество хранит и обрабатывает информацию. Однако, транзисторы, при всей своей универсальности, имеют ряд серьёзных ограничений, не позволяющих упаковывать их всё более и более плотно. Во-первых, это дороговизна технологического процесса: чтобы окупить производство кристаллов с ещё большей плотностью, устройства придётся продавать миллиардными тиражами. Это выглядит даже не как риск, а скорее — как недостижимая цель для реального бизнеса.

Вторая сложность — это паразитные явления, возникающие в элементах ещё меньшей величины: транзисторы начинают вести себя не так, как им положено. Для производства таких транзисторов придётся использовать принципиально иной механизм запирания, чем тот, который сейчас используется с применением классических полупроводниковых элементов. Конечно, в виде экспериментов уже существуют, например молекулярные транзисторы, однако их прототипы ещё очень и очень далеки от промышленного использования.

Ну и в контексте майнинга криптовалют, критически важным становится энергопотребление. Трназистор — это активный элемент, а значит, для его работы требуется питание. Конечно, современные транзисторы очень и очень энергоэффективны, но из-за того, что питание ему всё-таки требуется, мы не можем плотно укладывать на одном чипе транзисторы в некое подобие трёхмерной структуры, хотя попытки предпринимаются и в этой области. Непреодолимым препятствием здесь встанет тепловыделение. Иными словами, тепловыделение возрастает пропорционально количеству слоёв интегральной схемы, что потребует дополнительных дорогостоящих и массивных охлаждающих систем, которые невилируют все преимущества от послойной «упаковки» транзисторных конструкций, особенно, если мы говорим о майнинговых ASIC-чипах, загруженных всегда почти на 100% своей производительности. Плюс, конечно же, не последнюю роль играют и затраты на электроэнергию. Особенно, в майнинге, где она составляет большую долю в себестоимости криптомонет.

Что такое мемристор

Давайте начнём с элементной базы. Любую электронную схему можно представить в виде соединённых между собой источников питания и пассивных двухполюсных элементов (пассивных — потому что для их работы не требуется отдельное питание, а двуполюсники — потому что имеют всего 2 контакта для подключения в схему). До недавнего времени человечество знало и использовало лишь 3 пассивных двухполюсных элемента: конденсатор, резистор и катушка индуктивности (такие компоненты, как например, диод не рассматриваются как элементарные, потому что могут быть заменены эквивалентной схемой из элементарных компонент и источников питания). Эти элементы линейно связывают попарно величины, измеряемые в точке (заряд и ток) и на участке цепи (напряжение и магнитный поток): резитор связывает линейно силу тока и напряжение, конденсатор — заряд и напряжение, катушка — магнитный поток и силу тока. В 1971 году математик Леон Чуа, исходя из принципа симметрии предположил, что должен существовать четвёртый элемент, линейно связывающий заряд и магнитный поток.

Он и его последователи описали его свойства, но в течение очень долгого времени этот элемент не могли получить в жизни. Однако прорыв был совершён в 2008 году лабораторией HP (HP Labs), когда им, наконец, удалось получить этот элемент. Он недаром называется мемристором и действительно обладает «памятью»: в зависимости от величины и направления протекающего через него тока он меняет своё сопротивление и сохраняет его даже при полном длительном отключении. Идея очень простая: большим напряжением можно менять состояние мемристора, а малым — считывать его.

Сфера и преимущества использования меристоров

Мемристор оказался очень универсальным элементом, поскольку может служить как для хранения данных, так и для выполнения вычислений. Фактически, это означает, что на одном кристалле можно разместить массив из мемристоров, использование которых будет динамически распределяться управляющей схемой в реальном времени: те, мемристоры, которые не задействованы для хранения данных, могут быть использованы для вычислений. Таким образом, мы на одном кристалле получаем полноценный универсальный компьютер, к которому останется лишь подключить устройства ввода-вывода и другую периферию.

Будучи пассивным элементом, он не требует питания, а значит требует для работы на порядки меньше электроэнергии, чем транзитор и гораздо более компактен. Неожиданным и очень приятным бонусом стало то, что мемристивный эффект лишь усиливается с уменьшением размеров элемента, что безусловно будет благоприятствовать дальнейшему масштабированию техпроцесса.

Благодаря своей пассивности, во-первых, возрастает энергоэффективность, а во-вторых, благодаря существенно более низкому тепловыделению, появляется возможность укладывать мемристорные плёнки послойно и почти неограниченно — на одном кристалле.

Мемристор имеет колоссальный рабочий ресурс и может хранить «запомненное» состояние практически неограниченное время после отключения питания. Время переключения состояния — пикосекунды, то есть на порядки быстрее, чем даже в современной оперативной памяти. Двухмерный массив из мемристоров в производстве намного проще, чем транзисторная схема процессора, а значит, техпроцесс станет дешевле. Вот как выглядит простейший мемристорный процессор:

Здесь в каждом «пересечении» дорожек находится отдельный мемристор, и как видно, он имеет очень простую структуру.

Кроме всего прочего, мемристоры практически копируют работу синапсов (соединений) нервных клеток, а потому его можно использовать как для «копирования» структуры нейронов головного мозга, так и разработать новые нейроноподобные структуры, которые будут работать также быстро и эффективно, как «живые» нейронные структуры. Это существенно приблизит нас к созданию искусственного интеллекта. Хорошо это или плохо — конечно, предмет серьезных обсуждений, но моё личное мнение, что интеллектуальные системы несут гораздо больше пользы, нежели потенциального вреда.

Мемристоры как основа для майнинг-чипов

Благодаря своей невероятной энергоэффективности, майнинг с применением мемристоров сможет выйти на качественно новый уровень. Благодаря своей масштабируемости и возможности создавать трёхмерные структуры, на мемристорах можно построить не просто высокопроизводительный «переборщик» хэш-сумм, но можно будет создать такую структуру, которая за 1 такт сможет просчитывать сразу множество хэшей блоков с целым диапазоном nonce-компонент этих блоков. Притом все транзакции можно держать тут же, в памяти чипа и динамически его изменять, если в сети будут появляться новые транзакции.

Мощность промышленной фермы, которые сейчас занимают целые дата-центры, можно будет уместить в одну стойку, которая при этом будет потреблять электроэнергии как холодильник. Первый производитель майнинг-чипов (или производитель мемристорных чипов), который до этого додумается и воплотит в железе, получит невероятное конкурентное преимущество. Самые производительные ASIC чипы на транзисторах, которые существуют на сегодняшний день по сравнению с мемристорными ASIC-чипами будут выглядеть в контексте майнинга так же убого, как центральный процессор по сравнению с этими же транзисторными ASIC-чипами.

Подобные «гибридные» чипы с успехом можно будет задействовать и для других вычислительных задач, что безусловно станет ответом критикам, упрекающим майнеров в нерациональном расходе электроэнергии и якобы бесполезной загрузке мощностей производства микроэлектроники. Хотя, с другой стороны, а что вы хотели? Это рынок, детка 🙂 Таким образом, вся «мемристорная» вычислительная мощность никогда не будет простаивать: она будет задействована либо для майнинга биткойнов, либо, например, для поддержания сети MaidSafe, или выполнения других ресурсоёмких вычислений, если рыночная добавленная стоимость таких вычислений будет выше майнинга.

Повод для размышлений

В Интернете вы легко сможете найти очень много разной информации о мемристорах. Однако для меня всё же остаётся загадкой, почему никто до сих пор не проводил серьёзных исследований в сфере использования мемристоров как основы для майнингового оборудования будущих поколений. Всё, что мне удалось найти на эту тему — один скупой тред в Reddit. Лично я уверен в том, что рано или поздно (возможно, уже где-то в 2016 году) майнинговая индустрия придёт к мемристорам, а затем, возможно и к каким-то квантовым элементам.

Если среди прочитавших эту статью появятся энтузиасты, готовые развивать тему дальше, то пишите в коменты. Возможно, нам удастся произвести революцию в майнинге некими совместными усилиями 😉

Продолжение темы мемристоров