`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Memristor – найден четвертый базовый элемент электрической цепи

Статья опубликована в №20 (637) от 27 мая

+46
голосов

Недавно компания НР объявила о важнейшем открытии, а если говорить точнее – исследователи из ее научного центра HP Labs доказали существование так называемого четвертого базового элемента цепи в электронной инженерии, о котором говорили последние 30 лет.

Важность анонсированного научного достижения состоит в том, что с его помощью станет возможным создание вычислительных систем с оперативной памятью, сохраняющей данные после выключения, потребляющей намного меньше энергии и группирующей информацию наподобие того, как это делает человеческий мозг.

В статье, опубликованной в последнем номере журнала Nature, четыре сотрудника Лаборатории информационных и квантовых систем подразделения HP Labs, под руководством Р. Стэнли Уильямса (R. Stanley Williams), представили математическую модель и физический пример существования мемристора.

Необходимо отметить, что г-н Уильямс занимает должность директора с момента основания Лаборатории, специализирующейся на внедрении последних достижений в математике и физике в технологии и системы Hewlett-Packard. За последние 12 лет вместе с коллегами он провел ряд важных научных исследований в области физических ограничений информации и вычислений, – их результатом стали сенсационные открытия в сфере наноэлектроники и нанофотоники.

Memristor – найден четвертый базовый элемент электрической цепи
Р. Стэнли Уильямс у экспериментальной установки

Но вернемся к объекту этой публикации. Мемристор (memristor) (от memory и resistor) представляет собой пассивный двухполюсник с нелинейной вольт-амперной характеристикой, обладающий гистерезисом. Его теоретическая модель устанавливает зависимость между интегралами по времени от силы тока, протекающего через элемент, и от приложенного напряжения. Теорию о существовании такого элемента (и, собственно, название), способного запоминать поступающую в него информацию, впервые выдвинул Леон Чуа (Leon Chua), заслуженный преподаватель кафедры электрической инженерии и вычислительной техники Калифорнийского университета (Беркли) в работе «Memristor–The Missing Circuit Element», которая была опубликована в сентябре 1971 г. в издании IEEE Transactions on Circuit Theory. Доктор Чуа предположил, что наряду с тремя известными базовыми элементами электрических цепей – резистором, конденсатором и индуктивностью – должен существовать еще один – пассивный (т. е. рассеивающий мощность). Другими словами, мемристор является четвертым базовым элементом электрической цепи. Причем этот новый компонент имеет свойства, которые нельзя получить путем сочетания остальных трех в какой бы то ни было комбинации.

Долгое время гипотеза Чуа считалась лишь теоретической концепцией, и создать предполагаемый элемент не удавалось из-за того, что необходимо было уметь манипулировать свойствами материалов на атомарном уровне. И вот именно это удалось Р. Стэнли Уильямсу и его коллегам, которые провели свое исследование в области наноэлектроники и стали первыми, кто доказал существование мемристора.

«Такое фундаментальное открытие в достаточно хорошо исследованной области электротехники явилось для нас большой неожиданностью, тем более что оно может серьезно повлиять на развитие вычислительной техники, – заявил Р. Стэнли Уильямс. – Представив математическую модель физических свойств мемристора, специалисты НР Labs предоставили возможность инженерам разрабатывать интегральные схемы, которые смогли бы значительно повысить производительность и улучшить характеристики энергопотребления компьютеров и центров сбора и обработки данных».

Итак, что же собственно удалось сделать сотрудникам лаборатории HP и как устроен четвертый элемент, созданный ими. Прежде всего необходимо отметить, что устройство состоит из двух слоев пленки из диоксида титана, причем верхний – обеднен атомами кислорода. Кислородные вакансии действуют как носители заряда, т. е. обедненный слой имеет намного меньшее сопротивление, чем необедненный. Под действием электрического поля начинается диффузия кислорода из нижнего слоя в верхний. Таким образом, нижний слой, который до этого момента не являлся проводящим, начинает пропускать электрический ток и остается в таком состоянии до тех пор, пока не будет приложено обратное напряжение. По утверждению разработчиков прототипа, переключать слои можно бесконечное число раз, т. е. нет никакого эффекта ограничения по циклам (как, скажем, в широко используемой ныне флэш-памяти).

Memristor – найден четвертый базовый элемент электрической цепи
Memristor – найден четвертый базовый элемент электрической цепи
Изображение простой схемы на 17 мемристорах, выстроенных в ряд, полученное с помощью атомно-силового микроскопа. Устройства действуют как «запоминающие резисторы», сопротивление каждого из которых зависит от количества проходящего через него заряда

Как отмечают исследователи, одной из областей применения результатов данного открытия могла бы стать разработка принципиально новой оперативной памяти, которая бы дополнила, а в конечном счете и полностью заменила бы широко используемую сегодня динамическую память. Как известно, DRAM требует питания, и записанные в нее данные сохраняются лишь пока оно подается. При включении ПК, оснащенного стандартной памятью, требуется некий отрезок времени для того, чтобы данные были в нее загружены, к тому же, этот процесс еще и энергоемкий.

В компьютере с памятью на мемристорах информация сохраняется даже после выключения питания. В результате отпадает необходимость в загрузке, сокращается потребление энергии, экономится время и добавляется комфортности в работе пользователя.

Эксперты HP считают, что роль подобных компонентов, которые бы позволяли создавать системы, моментально реагирующие на их включение, становится особо значимой в эпоху стремительного роста популярности новой концепции «облачных вычислений» (cloud computing), подразумевающей участие в решении задачи множества компьютеров и систем хранения данных в рамках существующей ИТ-инфраструктуры. Системы памяти и хранения данных, используемые сегодня, требуют значительных энергозатрат на хранение, восстановление и защиту информации миллионов веб-пользователей по всему миру.

Новые системы на основе мемристоров уменьшат энергозатраты, будут обладать большей отказоустойчивостью и надежностью в случае возникновения проблем с электропитанием в ЦОД.

Другая возможная область применения данных устройств – разработка вычислительной системы, которая бы запоминала и группировала события по тем же критериям, что и человеческий мозг. Это позволило бы значительно усовершенствовать, скажем, технологию распознавания лиц, а также системы безопасности и сохранения личных данных, призванных анализировать сложный комплекс биометрических характеристик при предоставлении доступа к конфиденциальной информации, а также обеспечило бы возможность самообучения систем.

Как видим, поле для внедрения разработки ученых HP открывается самое широчайшее. И хотя изготовленный ими прототип выглядит несколько примитивно, однако он работает. Что же касается перспектив внедрения этой технологии, то пока даже ее создатели не дают никаких предварительных прогнозов, когда же она появится на массовом рынке. Но в том, что это произойдет, уже никто не сомневается.

+46
голосов

Напечатать Отправить другу

Читайте также

Оно уже мажется но ещё пахнет...

А было все так, размышляя на тему, политической ответственности, со времён колигиального органа древнего Египта. Исходя их того
что есть "коституционная" монархия и "институционная", а такжен есть институционная коррупция. То недостающим возможным элементом логического ряда, который бы описал политическую ситуацию в Украине есть "конституционная коррупция". Моим знакомым из Лондона так понравилось что они взяли да и раскрутили в прессе разработку, которая на практике может вообще не быть востребованной, зато с похоже преамбулой в описании.

Прошлый раз в аналогичной ситуации, правда, результат был более обещающим.

--DawnON

Вам интересно знать что было "прошлый раз в аналогичной ситуации"? В общем дело было так: услышал я что если запаять в плату одного из советских компьютеров кварцевый резонатор на большую частоту то он (компьютер) быстрее заработает. Только часто-то чуть-чуть выше,
всего на несколько MHz. А греется значительно сильнее. Заинтересовался я сим явлением странным, которое с удивлением обнаружил на практике.
Потом исходя из неких философских изысканий вокруг сущьности вещей, услышал я о странном свойстве электронов - спинальном свойстве. К тому же spin такое слово что во многих языках присутствует но разное значение иметь может, а в квантовой физике именно английское значение этого слова использовано, для обозначения некого свойства. И подумал я было почему этими спинами крутить можно, а толку только процессор греют. Достал я сиим вопросом несколько учителей физики и химии, одна чесно скзала что незнает откудова правило спинов берётся, один разложил правило спинов до некоторых непозволительных вольностей, но на том и кончил. И обратил мой знакомый из Лондона на этот странный вопрос внимание, и сам у тамошних учёных поспрашивать решил. А потом прошло несколько лет и они придумали странную дисциплину - спинтронику. Но ответ на изначальный вопрос простой спиновые свойства электронов отнимают пренебрежительно мало электроэнергии в реальных электронных устройствах.

История из розряда "как Английский Лорд на земле гелий открыл".

--DawnON

"...наряду с тремя известными базовыми элементами электрических цепей – резистором, конденсатором и индуктивностью – должен существовать еще один – пассивный (т. е. рассеивающий мощность)"
Во как!
То есть автор утверждает, что резистор, конденсатор и индуктивность -- активные элементы? А резистор не рассеивает мощность?
Думаю, что если ему удастся это доказать, то это (а не мем[р]истор) и будет самым большим открытием столетия!
И после этой статьи выбора у автора нет -- или Нобелевка, или незачет по теории электрорадиоцепей. ;)

ДО ЛАМПОЧКИ !!!

Если наряду со светодиодом, и фотодиодом, фоторезистором должен быть светорезистор - это до лампочки. Но даже если посмотреть философски что значит "активный". Пускай он активный для какого-то другого параметра, например "усиливает ослабление". (Не хочется попасть туда куда автор абстрактной алгебры попал, и главное по той же причине, но такая абстракция возможна как усиление ослабления.) Сейчас в эпоху цифровой фотографии, это кажется странным но когда-то когда не хватало фотореактивов, то в специализированной аптеке покупался "гипосульфит" который можно было использовать как фиксаж, но когда в магазинах было полно ослабителя, но не было усилителя, тогда вывалить такое аптекарю - оказалось страшным.

Даже так как не крути- не понятно в чем новизна.

--DawnON

Интересно, что комментарии наших читателей практически не отличаются от комментарией читателей Nature, откуда эта статья и переведена.

Насколько я понимаю, новизна мемристора в том, что он, являясь линейным элементом цепи, обладает памятью (отсюда и название). Именно в этом смысле он является 4м элементом (транзисторы, диоды и т.п. -- нелинейные элементы). Грубо все элементы электрических цепей можно отклассифицировать так: линейные без памяти (напряжение прямо пропорционально току, заряду или скорости изменения тока, соответствующий коэффициент пропорциональности определяется только геометрическими характеристиками элемента и не зависит от тока/напряжения) -- индуктивность, емкость, сопортивление; нелинейные без памяти (напряжение является нелинейной функцией тока, но эта функция задана раз и навсегда свойствами элемента) -- транзистор, диод; линейные с памятью -- напряжение линейно зависит от тока (или скорости изменения тока), но коэффициент пропорциональности зависит от предыстории элемента, это и есть мемристор.

Новизна изобретения -- инженерная, а не научная

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT