Олимпиада "Наноэлектроника"
Неофициальный сайт

Теоретически существование 4-го базового элемента семейства было предсказано в 1971 году Леоном Чуа, который назвал его мемристором. Предполагают, что он может существенно изменить электронику [5].
Четыре величины могут быть связаны шестью попарными соотношениями – так в квадрате можно провести четыре стороны и две диагонали [9].

Рисунок 1. Соотношения между фундаментальными параметрами электрических схем

Лабораторный образец мемристора был создан в 2008 году коллективом учёных во главе с Р. С. Уильямсом в исследовательской лаборатории фирмы Hewlett-Packard [6]. Работа устройства обеспечивается за счет химических превращений в тонкой (5 нм) двухслойной плёнке двуокиси титана. Один из слоев пленки слегка обеднен кислородом, и кислородные вакансии мигрируют между слоями под действием приложенного к устройству электрического напряжения [2].

На проходившей недавно в Лас-Вегасе конференции HP Discover представители компании объявили о своих амбициозных планах по использованию мемристоров в качестве основы для построения новой вычислительной системы, получившей название "The Machine" [10].
"Machine" будет использовать электроны для обработки информации, фотоны - для ее передачи, и ионы - для хранения. Мемристоры работают за счет ионной проводимости. Электроны будут работать в кремниевых узлах, подобных вычислительным модулям современных процессоров, а фотоны станут заменой электрическим проводникам, через которые информация передается от одного логического модуля к другому" - рассказывает Джон Зонтаг, руководитель подразделения HP Systems Research.

Если специалистам компании HP удастся разработать и создать такую вычислительную систему, это станет настоящей революцией в области информационных технологий.
С помощью этой системы будут полностью решены такие проблемы как:
1.Использование различных типов памяти;
2.Узкое место, ограничивающее скорости работы оперативной памяти;
3.Необходимость постоянного перемещения данных из памяти одного типа в память другого типа.
Кроме этого, быстродействующие оптические коммуникационные каналы, объединенные с логикой и памятью на основе мемристоров, позволят оперативно перестраивать некоторые функциональные узлы вычислительной системы для максимально эффективного выполнения определенных задач. В качестве примера использования этой возможности представители HP упоминают о базах данных, способных выдерживать сотни миллиардов запросов в секунду, и о реализации на аппаратном уровне некоторых алгоритмов, которые в ином случае требуют высоких затрат вычислительной мощности.

Компания HP планирует выпустить на рынок технологию с использованием мемристоров, конкурентную флэш-памяти. Эта технология сделает устаревшей память типов DRAM и SRAM, которая используется в современных компьютерах в качестве оперативной памяти (что позволит значительно ускорить процесс загрузки компьютеров).

Первые работы по созданию вычислительной системы The Machine были начаты после того, как специалистами компании были изготовлены первые мемристоры, характеристики и параметры которых удовлетворяют всем требованиям данного проекта. Параллельно с разработкой аппаратной части вычислительной системы ведутся работы по созданию новой операционной системы. В отличие от традиционных операционных систем, которые работают с различными типами памяти, новая система будет обеспечивать работу только с мемристорной памятью, которая будет являться одновременно оперативной и постоянной долговременной памятью [8].

Рисунок 2. Исследования искусственного интеллекта

Для того, чтобы создать компьютер, работа которого напоминает работу мозга, требуется использовать альтернативные архитектуры процессоров и окружающих их чипов. Одним из ярких примеров такого подхода является проект SyNAPSE Управления перспективных исследовательских программ Пентагона DARPA.
Мемристоры и нанопроводники уже некоторое время фигурируют как одни из перспективных направлений в создании нейронных сетей и искусственного интеллекта. Исследователи уже использовали нанопроводники для создания электрических цепей, сверху которых могут быть выращены искусственные нервные ткани, что позволяет объединить нервные клетки с электроникой. А мемристоры уже достаточно давно рассматриваются как базовый элемент для создания чипов, на основе которых могут быть созданы системы искусственного интеллекта [3,4].
Такие самообучающиеся нейронные сети, созданные на основе нанопроводников и мемристоров, по мнению исследователей из центра CRANN, могут найти широкое применение в процессорах, способных решать ряд узких специализированных задач, решение которых обычными методами требует большого количества вычислений и высокой вычислительной мощности. В качестве примера такой задачи можно привести задачу распознавания лиц, задачу, которую мозг выполняет практически моментально, а ее решение математическим способом требует значительных затрат вычислительной мощности [13].

Мемристор — пассивный элемент в микроэлектронике, способный изменять своё сопротивление в зависимости от протекавшего через него. Может быть описан как двухполюсник с нелинейной вольт-амперной характеристикой, обладающий гистерезисом.
Наблюдающееся в мемристоре явление гистерезиса позволяет использовать его в качестве ячейки памяти [1]. В принципе, мемристоры могут заменить транзисторы во многих случаях, но такая возможность пока рассматривается только гипотетически.
Теоретически они могут быть более ёмкими и быстрыми, чем современная флеш-память.
Также их блоки могут заменить RAM.

Рассмотрим устройство сетевого оборудования на примере маршрутизатора Cisco.
К основным компонентам маршрутизатора, как показано на рис. 5, относятся: оперативная память, энергонезависимая память, Flash память, постоянное запоминающее устройство и интерфейсы [14].

Рисунок 3. Основные компоненты маршрутизатора

Функции различных типов памяти:
1. RAM/DRAM
•Используется для хранения таблиц маршрутизации.
•Хранит кэш протокола ARP.
•Содержит быстродействующий кэш.
•Отвечает за буферизацию пакетов (разделяемая оперативная память).
• Обеспечивает хранение пакетов.
•Обеспечивает временную и рабочую память для файлов конфигурации маршрутизатора при включенном питании.

2. NVRAM
• Содержит резервную, или стартовую, копию файла конфигурации.
•При перезагрузке или после выключения данные в этой памяти не стираются.

3. Flash
•Стираемая, перепрограммируемая память.
•Содержит образ операционной системы и микрокод.
•Позволяет обновлять программное обеспечение без извлечения и перемещения чипа на процессоре.
•Содержит данные, которые при перезагрузке или завершении работы маршрутизатора не уничтожаются.
•Несколько версий операционной системы Cisco IOS могут быть сохранены во Flash-памяти

4. ROM
•Содержит код команд самотестирования при включении питания (Power On Self Test POST).
•Содержит программы начальной загрузки и основное программное обеспечение операционной системы.
•Для обновления программного обеспечения в ПЗУ требуется замена подключаемого чипа на системной плате устройства.

Оперативная память — энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой временно хранятся входные, выходные и промежуточные данные программы процессора. Наибольшее распространение получили два вида ОЗУ: на основе электрических конденсаторов (динамическая память) в которой информация хранится в виде электрического заряда конденсатора и статическая память, в которой информация хранится в виде состояний бистабильных устройств — триггеров. Оба этих вида памяти не сохраняют информацию при отключении питания. Для этого используется энергонезависимая память.

Рисунок 4. Современные ОЗУ

Таблица 1. Сравнение SRAM, DRAM.

В современных компьютерах SRAM часто используется в качестве кэш-памяти процессора.
DRAM: однобитовая ячейка памяти содержит конденсатор и транзистор. Конденсатор заряжается до более высокого или низкого напряжения (логические 1 или 0). Транзистор выполняет роль ключа, подключающего конденсатор к схеме управления, расположенного на том же чипе. Схема управления позволяет считывать состояние заряда конденсатора или изменять его. Так как хранение 1 бита информации в этом виде памяти дешевле, чем в SRAM, сейчас преобладает в компьютерах.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) — энергонезависимая память, используется для хранения массива неизменяемых данных.
ПЗУ можно классифицировать по технологии изготовления кристалла:

Таблица 2. Классификация ПЗУ по технологии изготовления кристалла.

Умение мемристоров «запоминать» заряд позволит отказаться от загрузки системы компьютера: в памяти компьютера, отключённого от питания, будет храниться его последнее состояние. Его можно будет включить и начать работу с того места, на котором остановился. Это же свойство позволит отказаться от некоторых компонентов современного ПК, что позволит сделать компьютеры компактнее и дешевле.
Производство мемристоров несложно при использовании современных технологий производства компьютерных чипов. И развитие области использования мемристоров, согласно информации от компании HP, давно прошло стадию научного проекта, теперь это - коммерческий продукт [11].

Преимущества мемристоров по сравнению с флэш-памятью огромны, время чтения информации из одной ячейки составляет 10 наносекунд, а время стирания и записи - 0.1 наносекунды. Скорость увеличивается в 10 раз [7].

Согласно заявлению Стэна Вильямса (Stan Williams), одного из ученых компании Hewlett-Packard, замена транзисторов мемристорами обещает улучшить электронику будущего в трех ключевых направлениях.
Прежде всего, использование мемристоров позволит одному и тому же устройству выступать одновременно в качестве процессора и памяти.
Во-вторых, мемристоры могут иметь размеры, намного меньшие, чем размеры транзисторов. Использование мемристоров позволит соблюдать закон Гордона Мура еще достаточно длительное время.
И, наконец, в отличие от транзисторов, на основе которых создаются только линейные структуры чипов, из мемристоров можно реально формировать развитые трехмерные структуры, внутри которых число внутренних связей может вырасти по экспоненте, в зависимости от количества "вертикальных" слоев структуры. Вычислительный и логический потенциал таких трехмерных структур мемристоров настолько высок, что Леон Чуа, первооткрыватель мемристоров, полагает, что на основе этой технологии можно будет изготовить первый электронный мозг.
В лабораториях Hewlett-Packard уже были изготовлены первые образцы несложных электронных устройств на основе мемристоров, которые служат доказательством работоспособности этой технологии. Ученые Hewlett-Packard прогнозируют, что первые рабочие экземпляры компьютерных комплектующих на основе мемристроной электроники будут изготовлены ими в течение последующих трех лет, а на массовое внедрение этой технологии может уйти до десяти лет времени [12].

Компания HP является е единственной компанией в мире, которая ведет работу в данном направлении. Над мемристорами и их использованием в качестве памяти ведет работу компания Samsung, так что можно надеяться, что благодаря конкуренции новые продукты на основе памяти ReRAM будут относительно недорогими и поэтому доступными.