Алгоритм - Учебный центр

Версия сайта для слабовидящих
Заполните форму ниже! Мы вам перезвоним!

Нажав на кнопку "Отправить", Я даю своё согласие на автоматизированную обработку указанной информации, распространяющейся на осуществление всех действий с ней, включая сбор, передачу по сетям связи общего назначения, накопление, хранение, обновление, изменение, использование, обезличивание, блокирование, уничтожение и обработку посредством внесения в электронную базу данных, систематизации, включения в списки и отчетные формы.


Мемристор - четвертый пассивный элемент (сопротивление, конденсатор, индуктивность, мемристор).

Мемристор - четвертый пассивный элемент (сопротивление, конденсатор, индуктивность, мемристор).

Термин "мемристор" предложил в 1971 году ученый из калифорнийского университета в Беркли Леон Чуа, который разработал теоретический фундамент четвертого элемента. По мнению специалистов, мемристор относится к тому же ряду фундаментальных элементов электроники, что и резистор, конденсатор и индуктивность. Но только спустя 37 лет, группа исследователей под руководством Р. Стэнли Уильямса смогла создать первый рабочий образец мемристора. Элемент был сформирован пересечением электродов из платиновой нанопроволоки, разделенных пленкой диоксида титана.
Сопротивление мемристора можно существенно (на три порядка) изменять, пропуская через него ток. Изменение сопротивления эквивалентно переключению между единичным и нулевым состоянием, что и наделяет новый элемент свойством памяти. Важно, что энергия затрачивается только в момент переключения. Новая технология вполне может претендовать на роль универсальной памяти будущего, которая одновременно заменит используемую сейчас динамическую память с произвольным доступом и флэш-память, но это только первый реальный шаг практического использования мемристора.
Мемристор - "электрическое сопротивление" - пассивный элемент в микроэлектронике, способный изменять свое сопротивление. До того, как возникла идея мемристора, существовало три основных пассивных элемента цепи: сопротивление, конденсатор и индуктивность. На этих трех строительных блоках основаны все электронные схемы, и, согласно теории электротехники, именно с их помощью можно представить любой элемент электронной схемы. Мемристор является четвертым, недостающим и ранее не использовавшимся элементом.

Американский физик Леон О. Чуа назвал "недостающий" элемент мемристором - от слов "резистор" и "memory", то есть "память". Это название описывает одну из характеристик мемристора, так называемый гистерезис, "эффект памяти", означающий, что свойства этого элемента зависят от приложенной ранее силы. В данном случае сопротивление мемристора зависит от пропущенного через него заряда, что и позволяет использовать его в качестве ячейки памяти. Это свойство было названо мемрезистивностью (M), значение которой есть отношение изменения магнитного потока к изменению заряда. Величина M зависит от количества заряда, прошедшего через элемент, то есть от того, как долго через него протекал электрический ток. То есть мемристор - это элемент, работающий в условиях переменного тока, электрическое сопротивление которого зависит от полярности прилагаемого напряжения. В зависимости от знака разности потенциалов мемристор может находиться в выключенном (менее проводящем) состоянии и во включенном (более проводящем). Однако в таком виде он мало отличается от диода.

Долгое время мемристор считался чисто теоретическим объектом, который нельзя построить. Только спустя 37 лет, группа исследователей под руководством Р. Стэнли Уильямса смогла создать первый рабочий образец мемристора (лабораторный образец мемристора был создан в 2008 году коллективом ученых в исследовательской лаборатории фирмы Hewlett-Packard).
В отличие от теоретической модели, устройство не накапливает заряд, подобно конденсатору, и не поддерживает магнитный поток, как катушка индуктивности. Работа устройства обеспечивается за счет химических превращений в тонкой (5 нм) двухслойной пленке двуокиси титана. Один из слоев пленки 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.

В принципе, мемристоры во многих случаях могут заменить и транзисторы, но такая возможность пока рассматривается только гипотетически. Они могут быть более емкими и быстрыми, чем современная флеш-память. Также их блоки могут заменить RAM. Их умение "запоминать" заряд позволит отказаться от загрузки системы. В памяти компьютера отключенного 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 меньше и дешевле.
Специалисты HP планировали, что к 2013 году мемристоры начнут заменять собою флеш-память, а в 2014-2016 годах - оперативную память и жесткие диски. С целью вывода мемристора на коммерческий рынок, компания НР подписала соглашение о сотрудничестве с Hynix Semiconductor Inc., и соглашение о совместной разработке данной технологии с крупной компанией Hynix Semicon-ductor.
Разработчики HP ориентировались на применение мемристоров в типе памяти, которая называется ReRAM (резистивная память со случайным доступом). Именно этот тип памяти может принести наибольшую пользу в совершенствовании компьютерных систем.
Эти устройства для хранения информации с очень низким энергопотреблением, высокой скоростью действия и длительным (до 10 лет) сохранением информации при отключении электропитания. Технология ReRAM должна была заменить и флэш-память, которая в настоящее время используется в мобильных телефонах, MP3-плеерах и других съемных носителях информации. Кроме того, она могла выступать и в качестве универсального носителя, т.е. заметить флэш-память, оперативную память DRAM, жесткие диски и SSD-диски. Но самым важным, вызывающим наибольший интерес у специалистов было другое свойство мемристора - возможность производить вычисления. Это свойство мемристора могло бы совершить революцию в компьютерной технике.
Мемристорный компьютер будет значительно больше похож на мозг благодаря многочисленным кластерам, которые будут хранить и одновременно обрабатывать отдельные "куски" информации. Благодаря тому, что память мемристора хранит значение тока, который через него пропустили, становится возможной обработка не только двоичных сигналов "1" и "0", но и любых других значений в промежутке от 0 до 1, например "0,3" или "0,8", что открывает широчайшие перспективы для создания вычислительных систем, в том числе и нейрокомпьютеров.
Использование мемристоров делает ненужными многие компоненты современных компьютеров, так как позволят выполнять вычисления без передачи данных центральному и вспомогательным процессорам. Компьютеру с универсальным чипом ReRAM не нужен винчестер, оперативная память, видеокарты, возможно, и процессор, а также он сможет обойтись без обязательной загрузки операционной системы "с нуля", т.к. может хранить в памяти состояние, предшествующее выключению, что позволит сразу же продолжить работу.
Мемристорный компьютер будет потреблять в разы меньше энергии, ему не потребуется мощной системы охлаждения, он будет гораздо компактнее. Для того чтобы изменить конфигурацию такого компьютера, не нужно будет менять видеокарту или память, выбрасывая дорогие или экологически небезопасные старые детали. Достаточно будет добавить дополнительный мемристорный блок и/или внести изменения в программное обеспечение. Мемристорная технология сделает домашние ПК быстрее, проще и экономичнее (дата появления первых мемристорных компьютеров пока неизвестна, но представители компании HP заявляют, что уж о флешках в ближайшие 10 лет мы уж точно забудем). Для предприятий использование мемристоров будет означать, что IT-специалисты смогут получить в центре обработки данных гораздо более быстрый доступ к информации: скорость поиска существенно возрастет, а энергозатраты уменьшатся.
Мощный толчок в развитии и практическом использовании мемристоров обеспечили нанотехнологии. Именно они позволили создать новый базовый элемент схемотехники, до сих пор бывший абстракцией. К резистору, конденсатору и индуктивности теперь добавился мемристор. Нанотехнологии продолжают подавать надежду на дальнейшее ускоренное развитие микроэлектронной индустрии.
Специалисты-исследователи из лаборатории HP (Дмитрий Струков и его коллеги) показали, как мемристивность возникает в наноразмерных масштабах при переносе заряда с помощью сочетания электронного и атомного механизмов переноса.
Конечно, идея использования мемристоров вместо транзисторов на данном этапе должна пройти проверку временем. Необходимо разработать принципы создания электрических цепей на основе двухконтактных элементов, разработать технологии воплощения их в материале и т.д. Сами мемристоры тоже нуждаются в доработке, так как в отличие от транзисторов являются пассивными элементами, и усиления сигнала в их случае можно добиться, лишь увеличив разницу в электрическом сопротивлении между включенным и выключенным состояниями элемента.
Чипы памяти на основе мемристоров обещают составить значительную конкуренцию флэш-памяти. Они работают, по крайней мере, вдесятеро быстрее и используют вдесятеро меньше энергии, чем эквивалентные чипы флэш-памяти. Память на основе мемристоров может быть стерта и перезаписана гораздо больше раз, чем флэш-память (при этом производство новых элементов памяти будет в два раза дешевле).
Принципиальное отличие мемристора от большинства типов современной полупроводниковой памяти и его главное преимущество перед ними заключаются в том, что он не хранит свои свойства в виде заряда. Это означает, что ему не страшны утечки заряда, с которыми приходится бороться при переходе на микросхемы нанометровых масштабов, и что он полностью энергонезависим. Проще говоря, данные могут храниться в мемристоре до тех пор, пока существуют материалы, из которых он изготовлен. Для сравнения: флэш-память начитает терять записанную информацию уже после года хранения без доступа к электрическому току.
Еще в апреле 2010 года, в журнале Nature, появился отчет об исследованиях HP Labs, в ходе которых была продемонстрирована способность мемристоров не только хранить информацию, но и выполнять логические операции. Со временем исследователи еще больше узнали о физических и химических свойствах мемристоров, и эти новые знания позволили по-новому взглянуть на особенности работы этих инновационных элементов. Чтобы эффективно использовать свойства мемристоров, необходимо включить их в состав электрической цепи с активными элементами. Мемристоры способны полностью изменить всю компьютерную отрасль, знания непрерывно растут, технологии совершенствуются, но по оценкам специалистов, реальный вывод мемристоров на массовый рынок может занять от 15 до 20 лет.

С мемристорами работает немало организаций по всему миру: университеты, национальные лаборатории и компании стремятся на их основе создать устройства будущего. Однако по ряду причин (связанных более с маркетингом, нежели с наукой или технологией) другие исследователи не используют сам термин "мемристор".

 

 


Лицензия