Цивилизация
###1###
В статье «Памятный знак электросхемы» мы затронули довольно неожиданную для многих читателей сторону развития современных микро- и наноэлектронных технологий.
В то время, как переход от «микро» к «нано» в электронике и оптических информационных сетях от публикации к публикации знаменуется укрощением все новых и новых размерных квантовых эффектов, группа исследователей из лаборатории Hewlett Packard показала как наноразмерные частицы позволяют создать совершенно новый тип пассивных элементов электросхем - мемристор, применение которого в будущем может в корне изменить принципы схемотехники.
Эта новость вызвала ощутимый отклик среди наших читателей, поэтому мы попросили одного из авторов работы, Дмитрия Струкова, прокомментировать разработку и ответить на несколько дополнительных вопросов. Беседу вёл Валерий Кривецкий.
Дмитрий, расскажите, пожалуйста, немного из истории создания мемристора вашей научной группой.
Наши работы носили вполне направленный характер - мы хотели получить пассивный элемент электрических цепей, сопротивление которого зависит от предыстории, тот самый мемристор, которого так не хватало Чуа. Это не только довольно интересная фундаментальная задача, но и возможность создания принципиально иной логики вычислительных сетей. Именно поэтому идея, казавшаяся совершенно нереализуемой в двадцатом веке вдруг стала вновь интересной с приходом нанотехнологий XXI столетия.
А какую роль в вашей работе играют нанотехнологии?
Как было отмечено в нашей статье в Nature, явление миграции неосновных носителей заряда (в нашем случае кислородных вакансий) под действием электрического напряжения - явление отнюдь не новое. Нам было необходимо только заставить его работать. Здесь-то наноразмеры и сослужили нам большую службу. Наноразмеры полупроводниковых материалов позволяют вызвать миграцию кислородных вакансий при очень низких напряжениях - 1-2 Вольта, тогда как микро-, и уж тем более макроскопические размеры полупроводников требуют существенно больших напряжений, на практике просто недостижимых.
Собственно, мемристор в понимании Чуа - это устройство, в котором магнитный поток меняется пропорционально величине прошедшего заряда.
Вычисления показали, что его сопротивление в данный конкретный момент будет зависеть от того, под каким напряжением оно находилось на предшествующем отрезке времени.
Наше устройство нельзя считать настоящим мемристором. Это скорее его функциональная модель, так как действует оно без всякого участия магнитного поля, вместо него у нас работают полупроводники. В то же время зависимость сопротивления от электрической предыстории этого элемента описывается теми же дифференциальными уравнениями, что и у Чуа. Поэтому мы и допускаем применение названия «мемристор» для нашего элемента.
+++
###2###
Дмитрий, не могли бы вы обрисовать в таком случае более детально перспективы использования мемристоров в вычислительных системах. Вами упоминалось моделирование поведения нейронных сетей благодаря уникальным физическим свойствам мемристоров. Возможно ли создание принципиально иной логики ЭВМ с их помощью?
Мемристор имеет два существенных различия по сравнению с традиционными устройствами памяти. Во-первых, это двухконтактное устройство, а значит мемристор можно интегрировать в многослойные матрицы взаимно перпендикулярных металлических нанопроводов (nanowire crossbars). Эта архитектура существенно боле компактна по сравнению с современными полупроводниковыми кремниевыми процессорами, к тому же логика управления такой матрицей пересекающихся нанопроводов существенно более проста.
Во-вторых, переход от более проводящего состояния в менее проводящее у мемристоров непрерывен, что означает бесконечное количество разных состояний проводимости, которыми может обладать, и мемристор, и электронная цепь, построенная с его использованием.
В современных дискретных двоичных цепях можно работать только с двумя предельными состояниями проводимости, что годится, например, для построения цифровой памяти.
Для вычислительных же схем более перспективным является возможность создания информационных сетей аналогичных сетям нейронов в живой мозговой ткани.
Дело в том, что поведение мемристора в точности соответствует поведению единичного синапса - контакта между нейронами в мозговой ткани. Это и позволяет говорить о применимости мемристоров для построения разветвленных матричных вычислительных элементов, имитирующих работу головного мозга. В головном мозге нейроны служат «проводами», по которым нервные импульсы передаются от одной клетки к другой, соединения же между отдельными нейронами осуществляются с помощью синапсов, которые обладают различной по величине проницаемостью и могут передать иной по величине импульс далее по нервной цепи.
В рукотворных вычислительных сетях эта архитектура может быть полностью скопирована. Здесь нейроны могут быть изготовлены на основе традиционной комплементарной логики на транзисторах металл-оксид-полупроводник (CMOS), а мемристоры могут играть роль синапсов. Только наличие матричной структуры (то есть возможность прямой передачи информации между большим количеством нейронов) и по существу аналоговый тип переключения месмристоров позволяют максимально приблизиться к искусственной реализации нейронных цепей. В этом отношении мемристоры на сегодняшний день уникальны и их применение для создания систем с логикой вычислений, отличной от системы с двоичным кодом видится очень перспективным.
+++
###3###
А каково в таком случае преимущество использования мемристоров в запоминающих устройствах?
Необычная физика мемристоров открывает сразу несколько перспектив их дальнейшего использования. Как было отмечено в статье, мемристоры могут одновременно выполнять и функции транзистора при создании запоминающих устройств.
Вам, наверное, известно, что сейчас сразу несколько технологий борются за нишу, которую занимает в данный момент привычная для рядового пользователя флэш-память. Её недостатки, не очевидные для пользователей флеш-накопителей небольшого объема, выпускаемых огромными тиражами самыми разными компаниями, становятся серьезной преградой для использования в качестве запоминающих устройств больших вычислительных комплексов. К ним относятся относительно большое время доступа к информации и небольшой срок службы единичного запоминающего элемента, который составляет в лучшем случае несколько сотен тысяч актов перезаписи. Однако главным недостатком является предел в масштабировании - невозможность сделать единичный запоминающий блок меньше определенного размера.
У мемристора в этом плане есть ряд преимуществ по сравнению с традиционной полупроводниковой кремниевой технологией.
Главное из них - это наличие всего лишь двух контактов, необходимых для управления мемристором. Поэтому нелинейность вольт-амперной характеристики мемристоров, её гистерезис, позволяет построить ячейку памяти на матричных схемах пересекающихся нанопроводов, без так называемых транзисторов доступа, которые используются в современной архитектуре запоминающих флэш-устройств. В связи с этим, плотность памяти, количество информации на единицу площади устройства, по сути, определяется размерами этих самых нанопроводов.
В тоже время все традиционные, а также многие экспериментальные (FeRAM, MRAM) устройства памяти нуждаются по крайне мере в одном транзисторе. Поскольку оптическая литография это единственный способ изготовления таких транзисторов в интегрированных схемах в промышленных масштабах, масштабирование физических размеров, то есть плотность памяти, в случае этих технологий ограничена в той же степени, что и в современных флэш-носителях.
В числах, сравнивая пределы оптической литографии и технологий для изготовления нанопроводов, плотность матричных устройств памяти может быть в 100 и более раз выше.
То есть, запоминающее устройство размером с современную флешку, будет иметь емкость не 16 Гб а полтора терабайта.
Посмотрите на свою домашнюю коллекцию фильмов в высоком разрешении и представьте, что несколько полок с дисками уместятся у вас в кармане. Примерно так выглядит эта разница.
Существуют и другие перспективные альтернативные технологии которые могут потеснить флэш по плотности в ближайшем будущем. Например, можно отметить ячейки памяти на основе обратимого фазового перехода (так называемые элементы phase-change memory - PCM), которые в принципе можно так же интегрировать в матричные схемы.
Изменение проводимости единичного запоминающего элемента в таком запоминающем устройстве осуществляется при помощи фазового перехода - нагревании материала, при котором он становится либо хорошим проводником, либо хорошим изолятором. Для того, чтобы PCM-память могла составить конкуренцию матричным запоминающим устройствам на основе мемристоров, необходимо добиться локализации нагревания единичной РСМ-ячейки в наномасштабе. Эта задача на сегодняшний день не решена.
С другой стороны, согласно нашим расчетам, переключение между состояниями мемристора может осуществляться без нагревания, а только под действием внешнего электрического поля. Более того, в мемристорах для переключения состояния требуется существенно меньше энергии, чем для нагревания до высоких температур.
То есть мемристорная память может быть и быстрее, и долговечнее и при этом будет потреблять намного меньше энергии по сравнению с конкурирующими технологиями?
Модель, описанная нами в статье в Nature это скорее феноменологическая модель, или игрушка, если угодно. В данный момент наша группа работает над детальным микроскопическим описанием мемристоров. Предварительные результаты очень обнадеживают, хотя давайте подождем окончательных результатов. Конечно, помимо точной мемристорной модели нам предстоит проделать еще массу различных фундаментальных изысканий, и выработать некие оптимальные параметры единичного мемритора, годного для применения в промышленных масштабах. Только после этого идея, озвученная впервые Чуа, превратится в продукт и возможно будет реализована в массовом производстве.
+++
###4###
А какие именно трудности подстерегают мемристорные технологии на пути к конечному пользователю?
В принципе - это те же самые трудности, которые присущи современной наноразмерной электронике: необходимо научиться возобновимо получать большие массивы одинаковых мемристоров нанометрового масштаба.
Эта технологическая задача куда более сложна, чем создание единичного элемента. Есть и принципиальная трудность - при уменьшении размеров единичного электронного элемента до нескольких нанометров, будь то мемристор или транзистор, мы неизбежно будем наталкиваться на эффект квантового туннелирования электронов, который будет сильно нарушать электронные параметры схемы. Но вряд ли стоит надеяться на достижение этого порога наноэлектронной промышленностью в скором будущем, это очень маленькая величина.
Дмитрий, сейчас очень много говорится о перспективах применения нового углеродного материала графена в микро и наноэлектронике. Три недели назад мы писали о создании Константином Новоселовым первого одноэлектронного транзистора, работающего при комнатной температуре. Как вы считаете, есть ли у мемристоров, сделанных на основе современных полупроводниковых технологий шансы выстоять под нактиском углеродных элетронных схем?
Как я уже говорил, альтернативы мемристорам для создания искусственных нейронных сетей в настоящее время не сушествует и углеродные материалы не могут быть применены для этих целей. Кроме того, пока что не существует технологий получения больших графеновых листов, пригодных для создания масштабных электронных схем.
Более того, даже если такие технологии появятся в будущем, в настоящее время создание наноразмерных одноэлектронных устройств опирается на применение прецизионного травления литографической маски сфокусированным пучком ионов или электронов. Масштабы промышленного производства потребуют отказа от этих дорогих и малопродуктивных технологий, однако альтернативы им пока что не существует. Так что говорить о переходе от кремния к углероду, по крайней мере, в ближайшем будущем, я бы не стал.
Сколько лет потребуется, чтобы применение мемристоров стало реальным, Дмитрий Струков предсказывать не решился. Природа трудилась над мозгом Homo sapiens в течение нескольких миллиардов лет. Сможет ли этот мозг сам себя скопировать в железе, и замахнется ли на самоусовершенствование без участия движущих сил эволюции? Даже если нет, будем надеяться на появление нового типа быстрых, емких и экономичных запоминающих устройств в более близкой перспективе.
+++