Мемристор с шестью состояниями и перспективы «странных» вычислений

Новый элемент на базе мемристора можно использовать для создания нейровычислительных систем и компьютеров с десятичной системой счисления.

Судя по всему, новейший фундаментальный электронный компонент, мемристор, еще преподнесет нам сюрпризы. С тех пор как ученые 6 лет назад создали первый мемристор, было показано, что это загадочное устройство может быть использовано для создания целого ряда передовых компонентов и систем, в том числе более компактной энергонезависимой памяти, новых универсальных логических вентилей и нейроподобных компьютеров, помимо прочего. Как утверждают физики из дублинского Тринити-колледжа, теперь в этот список можно добавить память с десятичной системой счисления.

Однонаправленная память: нановолокно из оксида титана работает и как диод, и как мемристор. Изображение от Тринити-колледжа.

В отличие от памяти на основе транзисторов, которая может хранить только двоичные значения, мемристор позволяет хранить гораздо больше данных. Ученые из Тринити-колледжа создали мемристор, который способен запоминать шесть состояний, и утверждают, что ничто не мешает увеличить количество состояний до десяти или более.

Вместо того чтобы хранить бит в виде электрического заряда, как это делает флеш-память и динамическая RAM, мемристоры (или RRAM — резистивная RAM) хранят данные как сопротивление. Мемристор «запоминает» уровень протекшего через него тока, изменяя свое внутреннее сопротивление. Если ток протекает в другом направлении, сопротивление уменьшается.

Мемристор от Тринити-колледжа работает немного иначе. Прежде всего, в отличие от других мемристоров, он также работает как диод: уровни сопротивления можно контролировать только при протекании тока в одном направлении. Эффект диода реализуется на этапе постпроизводства с помощью так называемого электроформинга. Мемристор состоит из полупроводящего нановолокна из диоксида титана, которое расположено между двумя металлическими электродами. После создания мемристора его подвергают длительному воздействию напряжения 10 В, которое увеличивает популяцию носителей заряда возле интерфейса с катодом, создавая диодный переход.

Новый мемристор не только проводит ток лишь в одном направлении, но и хранит биты иначе. В обычном мемристоре для хранения двух разных уровней сопротивления нужны два разных уровня напряжения: «Вы применяете напряжение 5 В и получаете один уровень сопротивления, применяете 10 В и получаете другой, — говорит Кертис О’Келли (Curtis O’Kelly), физик из Тринити-колледжа, который обнаружил новые свойства вместе с Джоном Боландом (John Boland) и Джессамин Фейрфилд (Jessamyn Fairfield). — В нашем устройстве вы применяете напряжение 7,5 В и переходите на один уровень сопротивления выше, применяете 7,5 В еще раз, и переходите на следующий уровень». Ученые обнаружили, что после шести таких импульсов их устройство достигло состояния насыщения, и больше сопротивление не изменялось. «Вы можете остановиться на любом из уровней, который сохраняется, а позднее применить еще один импульс, чтобы перейти на следующий уровень, или сбросить устройство с помощью единственного отрицательного импульса в -7,5 В, — объясняет О’Келли. — А поскольку наш мемристор является диодом, вы можете сбросить ячейку памяти без протекания тока, что с «обычным» мемристором невозможно».

Как утверждают ученые, эффект памяти можно объяснить физическим изменением, которое имеет место в нановолокне у интерфейса с электродом. «Когда вы применяете положительное напряжение к одному из контактов, вы создаете кислородные вакансии — т.е. удаляете кислород из кристаллической решетки волокна — что облегчает перемещение электронов в металл», — говорит О’Келли. Отрицательный импульс в -7,5 В инъецирует электроны из золотого электрода в нановолокно, уничтожая кислородные вакансии у интерфейса и уменьшая проводимость нановолокна.

Количество уровней сопротивления довольно гибко, и устройство способно достигнуть десяти. «Ограничением здесь является интервал между уровнями», — утверждает О’Келли.

Думая о таких мемристорах, О’Келли воображает память с десятичной системой счисления, которая может хранить 10 разных состояний на ячейку. Конечно, будет ли использование такой памяти оправдано в мире двоичных вычислений, пока неясно. С одной стороны, десятичная память может быть гораздо более компактной. Например, крупнейшее беззнаковое двоичное 64-разрядное целое число — 18 446 744 073 709 551 615 — можно будет сохранить в 20 битах вместо 64. Однако проблема реализации интерфейса между десятичной памятью и двоичной логикой может аннулировать все преимущества. Инженеры-электроники должны будут изобрести «новую инфраструктуру для работы с такой памятью», – утверждает О’Келли.

Чтобы кто-то всерьез отнесся к перепроектированию компьютеров на основе мемристора Тринити, он должен быть существенно улучшен. Джеймс Скотт (James Scott), физик из Кембриджского университета, сравнивает текущее низкое быстродействие элемента с «абаком из восьмого века».

Уменьшение размеров мемристора должно помочь решить эту проблему, предполагает Харика Манем (Harika Manem), инженер-электроник из Университета штата Нью-Йорк. Манем не верит в будущее десятичных вычислений, но полагает, что эти мемристоры с множественными состояниями могут оказаться очень полезны в одной из областей ее исследовательских интересов — нетрадиционных логических системах, основанных на нейросетях. «Мне нравится, что у этого устройства есть контролируемые воспроизводимые согласованные состояния, и если его уменьшить, ему будет проще найти применение», — утверждает Манем.

Об авторе

Александр Хеллеманс освещает развитие науки и технологий в Европе. Вместе с Брайаном Банчем (Bryan Bunch) он написал книгу The History of Science and Technology: A Browser’s Guide to the Great Discoveries, Inventions, and the People Who Made Them from the Dawn of Time to Today (Houghton-Miffin, 2004). В мае 2014 г. он подготовил отчет об альтернативном реакторе для термоядерного синтеза — стеллараторе.

Александр Хеллеманс (Alexander Hellemans), 21 ноября 2014 г.

Еще одна статья по теме:

«Будущее майнинга: мемристоры»

Два кадра из презентации от HP, посвященной инновационной компьютерной архитектуре The Machine: