Мемристор

Мемри́стор (от англ. memory — память, и англ. resistor — электрическое сопротивление) — пассивный электрический элемент, двухполюсник в микроэлектронике, способный изменять своё сопротивление в зависимости от протекшего через него электрического заряда (интеграла тока по времени).

Обозначение мемристора на электрических принципиальных схемах
Соотношения между четырьмя фундаментальными электрическими переменными и двухполюсниками, связвающими эти переменные
Схема устройства мемристора

Может быть описан как двухполюсник с нелинейной вольт-амперной характеристикой, обладающей гистерезисом[1].

Математическая модель
Вольт-амперные характеристики образца мемристора снятые при трёх разных частотах приложенного напряжения

Теория мемристора была разработана в 1971 году профессором Леоном Чуа (Цай Шаотаном в китайской транскрипции[2]). В ней устанавливаются отношения между интегралами по времени силы тока, протекающего через элемент, и напряжением на нём. Долгое время мемристор считался теоретическим объектом, который нельзя построить.

Однако лабораторный образец запоминающего элемента, демонстрирующего некоторые свойства мемристора[3][4], был создан в 2008 году коллективом учёных во главе с Р. С. Уильямсом в исследовательской лаборатории фирмы Hewlett-Packard[5][6][7][8].

В отличие от теоретической модели, полученное устройство не накапливает заряд, подобно конденсатору, и не сохраняют магнитный поток, как катушка индуктивности. Работа устройства (изменение его сопротивления — резистивное переключение, — и других свойств[4]) обеспечивается за счёт химических превращений в тонкой (5 нм) двухслойной плёнке диоксида титана. Один из слоев плёнки слегка обеднен кислородом, и кислородные вакансии мигрируют между слоями под действием приложенного к устройству электрического напряжения. Данную реализацию мемристора следует отнести к классу наноионных устройств.

Наблюдающееся в мемристоре явление гистерезиса позволяет использовать его в качестве ячейки памяти (RRAM). Гипотетически мемристоры смогут заменить транзисторы в некоторых частных применениях.

Теоретически мемристорные запоминающие элементы могут быть более компактными и быстрыми, чем современная флеш-память. Также блоки из них могут заменить ОЗУ. Особенность мемристоров «запоминать» заряд может позволить впоследствии отказаться от загрузки системы компьютера: в памяти компьютера, отключённого от питания, будет храниться его последнее состояние. При поддержке со стороны программного обеспечения компьютер можно будет включить и начать работу с того места, на котором она была остановлена при выключении.

По заявлениям Hynix и Hewlett-Packard, технология готова к производству. Изначально сообщалось, что накопители на базе мемристоров выйдут в 2013 году[9], но затем выпуск был перенесён на 2014 год[10][11].

В 2014 году HP опубликовала проект суперкомпьютера The Machine, в котором планируется использовать волоконно-оптические линии связи и память на базе мемристоров[12]. Рабочий прототип устройства продемонстрирован в конце 2016 года, коммерциализация технологии ожидалась к 2018 или 2019 году[13]. До сих пор ведутся работы по этому направлению.

Перспективы применения в качестве вычислительных устройств

Мемристоры могут быть использованы не только для хранения данных. Так, М. Ди Вентра и Ю. В. Першиным была предложена концепция вычислительных машин, в которых хранение и обработка информации осуществляется одним и тем же физическим устройством, основанным на мемристорах[14][15].

Рассматривается возможность применения мемристоров в качестве искусственных синапсов (весовых модулей) нейропроцессоров и искусственных нейросетей. Поведение мемристора напоминает работу биологического синапса — чем интенсивнее входной сигнал, тем выше пропускная способность синапса («вес» сигнала). В частности, нейросети на основе мемристоров могут обучаться по биоподобным локальным правилам, таким как STDP[16]. Это решение позволит сильно упростить конструкцию нейропроцессора и уменьшить его стоимость, так как хорошо приспособлен для производства на уже имеющихся технологических линиях по производству микросхем. Однако, (2021 год) остается нерешённой основная проблема мемристорных устройств — их воспроизводимость (как от экземпляра к экземпляру, так и от цикла к циклу переключения состояния).

См. также

Примечания
  1. Pershin, Y. V. & Di Ventra, M. (2011), Memory effects in complex materials and nanoscale systems, Advances in Physics Т. 60 (2): 145, DOI 10.1080/00018732.2010.544961
  2. Chua, Leon O, «Memristor—The Missing Circuit Element», IEEE Transactions on Circuit Theory. 18.5 (1971): 507—519.
  3. «The Missing Memristor: Novel Nanotechnology or rather new Case Study for the Philosophy and Sociology of Science?» by Sascha Vongehr, Advanced Science Letters 17, pp. 285—290 (2012), arXiv:1205.6129
  4. Бёрд Киви, Мемристоры: пора ли переписывать учебники? // 3DNews, 18 декабря 2014: "А было ли открытие? … следует отметить существенные различия между тем мемристором, который был теоретически предсказан Леоном Чуа в 1971 году и тем устройством … наноконструкция, обнаруженная в HP, фактически представляет собой аналоговое запоминающее устройство, которое вообще не требует для своей работы эффектов магнетизма.
  5. HP Labs Proves Existence of New Basic Element for Electronic Circuits. “Memristor” discovery could lead to far more energy-efficient computing systems with memories that don’t forget, never need to be booted up (англ.), press-release, HP (30 April 2008). Дата обращения 9 января 2015.
  6. Strukov, Dmitri B., et al. «The missing memristor found.» // Nature 453.7191 (2008): 80-83. doi:10.1038/nature06932
  7. Четвертый элемент: специалисты HP воплотили в жизнь технологию памяти, придуманную 37 лет назад Архивная копия от 26 февраля 2009 на Wayback Machine // IXBT, 05 Мая, 2008
  8. Sally Adee. The Mysterious Memristor. Researchers at HP have solved the 37-year mystery of the memory resistor, the missing 4th circuit element. (англ.), IEEE Spectrum (1 May 2008). Дата обращения 9 января 2015.
  9. HP, Hynix to launch memristor memory 2013 // EETimes, Peter Clarke, 2011-10-06
  10. Разработка мемристоров завершена, но HP и Hynix не хотят подрывать рынок флэш-памяти Архивная копия от 18 мая 2017 на Wayback Machine // IXBT, 28 Сентября, 2012
  11. Memristors' one-year delay will hit IT in the wallet // ZDNet, July 10, 2012
  12. Peter Bright. HP plans to launch memristor, silicon photonic computer within the decade Electrons, photons, and ions will work together to revolutionize computing. (англ.), arstechnica (11 June 2014). Дата обращения 9 января 2015.
  13. HP представила прототип суперкомпьютера, который в 8000 раз быстрее существующих ПК, Типичный программист. Дата обращения 6 декабря 2016.
  14. M. Di Ventra, Y. V. Pershin. Memcomputing: a computing paradigm to store and process information on the same physical platform // Nature Physics 9, 200—202, 2013; arXiv:1304.1675 (англ.)
  15. The Computer That Stores and Processes Information At the Same Time (англ.), MIT Technology review (21 November 2012). Дата обращения 9 января 2015. «Emerging Technology From the arXiv».
  16. Teresa Serrano-Gotarredona, Timothée Masquelier, Themistoklis Prodromakis, Giacomo Indiveri, Bernabe Linares-Barranco. STDP and STDP variations with memristors for spiking neuromorphic learning systems (англ.) // Frontiers in Neuroscience. — 2013. — Т. 7. — ISSN 1662-453X. — doi:10.3389/fnins.2013.00002.

Литература

Ссылки
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.