Олимпиада "Наноэлектроника"
Неофициальный сайт

Меню сайта
Категории раздела
Рефераты (курсы КП, ПК, ИТ и Сети) [95]
Рефераты по курсу "Компьютерный практикум", "Применение персональных компьютеров", "Информационная техника" и "Сети ПК" в НИЯУ МИФИ
Аналитика (курсы КП, ПК, ИТ и Сети) [1]
ТЗ учебных проектов [7]
Виртуальные калькуляторы [2]
Пресс-релизы [4]
Материалы по итогам учебных проектов
Наш опрос
Оцените сайт олимпиады
Всего ответов: 122
Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Главная » Статьи » Публикации студентов МИФИ » Пресс-релизы

Мемристоры в сетевом оборудовании
Мемристоры в сетевом оборудовании


1. История
1.1 Функциональное значение мемристивности по теории Чуа

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


1.2 Техническая реализация (материалы, изготовление, гистерезис ВАХ)

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].


1.3 Планы по развитию технологии

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.

2. Области применения

2.1. Память
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).


2.2 Разработка компьютерных систем
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].


2.3 Исследования искусственного интеллекта


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].

3. Мемристоры в сетевом оборудовании

3.1 Использование мемристоров

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.


3.2 Память в сетевом оборудовании

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.


3.3 Современные RAM (ОЗУ)
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.


3.4 Современные ПЗУ (ROM, Flash, NVRAM)

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.





4. Амбициозные перспетивы

4.1. Повышенная плотность информации (компактность, цена)
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].


4.2. Повышенная скорость
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].


4.3. Замена транзисторной логики
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].


4.4. Лидирующая позиция Hewlett-Packard
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.


Литература
1. http://www.ece.rochester.edu/users/friedman/papers/IFIP_12.pdf
2. http://icwww.epfl.ch/~demichel/publications/archive/2013/06518265.pdf
3. http://cns-web.bu.edu/nl/files/IEEE_Computer_cover_feature_Feb_2011.pdf
4. http://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/handle/2027.42/75835/josung_1.pdf?sequence=1
5. http://ko.com.ua/memistor_li_memristor_li_lish_by_bez_isterik_35807
6. http://www.ixbt.com/news/hard/index.shtml?16/15/46
7. http://www.ixbt.com/news/hard/index.shtml?15/13/28
8. http://habrahabr.ru/post/226073/
9. http://www.valinfo.ru/forum/index.php?showtopic=2546wikipedia.org
10. http://www.dailytechinfo.org/infotech/5986-kompaniya-hp-planiruet-k-koncu-desyatiletiya-sozdat-pervyy-fotonno-elektronnyy-kompyuter-s-memristorami-v-kachestve-bazovyh-elementov.html
11. http://www.dailytechinfo.org/infotech/2929-kompaniya-hp-predrekaet-smert-flesh-pamyati-i-ssd-diskov-na-ee-osnove-v-2013-godu.html
12. http://www.dailytechinfo.org/electronics/1200-tochka-zreniya-hewlett-packard-mikrochipy-na-osnove-memristorov-budushhee-kompyuterov.html
13. http://www.dailytechinfo.org/infotech/4695-obedinenie-memristorov-i-nanoprovodnikov-mozhet-privesti-k-sozdaniyu-kompyuterov-deystvuyuschih-podobno-mozgu.html
14. Курс CCNA2: маршрутизаторы и основы маршрутизации Cisco Press
Категория: Пресс-релизы | Добавил: Людмила (14.12.2014) | Автор: Сельянова Л.А.
Просмотров: 963 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Форма входа
Поиск
Друзья сайта