Немного о настоящей новизне, доступной и реальной

В прошлой записи обещал что-то действительно новое, но тихое и почти никому не заметное (с действительно новым так и должно быть, по логике, оно в «раскручивании» не нуждается). Особенно приятно, что речь пойдёт не о чём-то «на бумаге», а о вполне доступном удовольствии, которое любой любопытный смертный может позволить себе за каких-то 4-5 евро.

Итак, есть корпорация Panasonic, о существовании мощного полупроводникового производства и исследовательских подразделениях которой в бывшем СССР знают разве что узкие специалисты. И есть знаменитый в мире электроники китайский американец филиппинского происхождения Леон Чуа (транслитерировать ˈtʃwɑː очень непросто), придумавший когда-то из соображений физической симметрии недостающий абстрактный элемент электронных цепей – мемристор. О мемристорах было много шума, одно время в Hewlett Packard ими очень увлекались (да и сейчас увлекаются, и даже затеяли большой проект «совершенно нового компьютера», с мемристорной памятью как раз, но это пока проект именно что «на бумаге», нам это неинтересно).

Так, основные персонажи выставлены на сцену, пора начинать действие.

У дистрибьютора электронных компонентов Mouser любой желающий может купить микросхему MN101L производства Panasonic. Цена указана, в наличии их достаточно. Этот почти традиционный (если судить по списку параметров) 8-битовый микроконтроллер на деле – настоящая революционная машина, пока вообще единственная в своём роде. Всё дело в технологической реализации подсистемы памяти - MN101L первый, единственный и серийный вычислитель с работоспособной «почти совсем мемристорной» памятью. Или с одной из возможных вариаций технологической реализации мемристорной памяти – не суть важно (по крайней мере, сам Леон Чуа  и специалисты той же Hewlett Packard отнесли именно этот тип памяти к мемристорам, а им можно, наверное, верить, научные споры если же и ведутся, то больше об уточнении понятия «мемристор» с учётом возможных «мемристорных» вольт-амперных характеристик, мы в эти тонкости вдаваться не будем, кому интересно – рекомендую эту статью, несмотря на её «страшное» название). Мы лучше поговорим о первом доступном серийном вычислителе с мемристорной всё-таки памятью ReRAM.

Panasonic больше года готовила технологический процесс для серийного выпуска этой памяти и микросхем на её основе на своём заводе в Тонами с 0,18-микронным техпроцессом, а перед тем – больше года доводила саму технологическую концепцию до уровня прототипирования. Происходило это в очень непростых для полупроводникового бизнеса (да и всей корпорации) Panasonic времена, итогом которых стало формирование совместного предприятия по производству микросхем и оптических сенсоров с контрольной долей 51% весьма интересной израильской компании TowerJazz. Это важная деталь – в Panasonic явно не побоялись идти на очень большие риски (а какие ещё могут быть риски в области, где ты фактически первый?) в очень сложное время.

Мемристорная память MN101L основана на вроде как совсем простых ячейках, в которых в качестве основного «мемристорного» материала используется слой оксида тантала, расположенный между двумя электродами:

 
Кажущаяся простота на деле и в деталях оборачивается настоящим технологическим кошмаром (иначе флэш-память уже бы стала прошлым). А кроме производственных нюансов есть ещё особенности эксплуатации, которые существенно усложняют реализацию мемристорной памяти (изначально, на доступном уровне технологии, «не любившей» повышенных температур). Похоже, что в Panasonic добились по крайней мере соответствия ReRAM требованиям промышленного температурного диапазона (от -40° C до 85° C). А это уже немало, это свидетельство «взрослости» технологии.

Принцип «работы» мемристорной ячейки памяти радикально отличается от всех прочих технологий, причём с инженерной точки зрения (то есть, для потребителя ячейки памяти как продукта) даёт ряд существенных преимуществ. Главные из которых – низкие рабочие напряжения и высокая скорость процессов. Физический эффект, лежащий в основе принципа – формирование в результате приложения разности потенциалов определённой полярности «нитей проводимости» (filaments) в токонепроводящем слое оксида тантала со сформированной во время производства глубокой зоной с нехваткой атомов кислорода:

 
В отличие от флэш-памяти, все процессы – низковольтные, это было бы не настолько существенно в общей конструкции конечного устройства (в конце концов, в большинство микроконтроллеров с перепрограммируемой программно флэш-памятью встраиваются повышающие преобразователи напряжения), если бы не быстродействие (сейчас порядка 10 ns) и не возможность побайтовой перезаписи ячеек без необходимости «стирания» их предыдущего содержимого (часто упоминается ещё и низкое энергопотребление, но с ним не всё так просто, это не принципиальное отличие, всё-таки).

Но всё это вместе позволяет называть память такого типа именно *RAM, несмотря на принципиальную энергонезависимость. В существующих реализациях ReRAM всё ещё далека от лабораторных показателей (особенно по количеству перезаписей ячеек, которое пока на уровне гарантируемых 100000), но это же только начало.

Что означает появление такой памяти? Если технологи приблизят даже не теоретические, а лабораторные показатели, к серийным (что обещается уже в следующем году), ReRAM фактически означает появление в первую очередь встраиваемых вычислителей с энергонезависимой оперативной памятью. Для «больших» машин, работающих в системе «человек-машина» это не такой большой «прорыв», как кажется. Но в мире встраиваемых систем, где каждый микроампер и каждая микросекунда – на счету, событие совершенно революционное. Становятся не нужны хитромудрые и ресурсоёмкие механизмы сохранения контекста при переходе вычислителя в режим минимального энергопотребления, радикально изменяется «начинка» операционных систем реального времени, список можно продолжать долго, это немаленькая такая локальная «промышленная революция» получается в итоге. Начало которой уже объявлено Panasonic.

К признакам нового можно отнести и миграцию аппаратной поддержки высокоуровневых протоколов аутентификации и шифрования-дешифрования данных в микроконтроллеры. Это уже де-факто случившееся – и если, например, Atmel предлагает отдельные микросхемы аппаратной поддержки шифрования, то Microchip выпустила семейство 16-битовых контроллеров со встроенным модулем криптографии (PIC24 семейства GB2), причём в очень интересных конфигурациях, уточняющих одно из возможных представлений о том, что такое встраиваемый вычислитель для IoT. В этом латентном уточнении нет ничего таинственного – если у явно IoT вычислителя (а зачем традиционным простым M2M протоколам грубо говоря «интернет-стандартное» шифрование?) очень много последовательных интерфейсов (например, 3 – SPI, 2 – I2C, 4 - UART) и не очень много аппаратных выводов вообще (например, 44), это означает – в Microchip уже видят IoT-машины многопроцессорными, с чётким разделением функций для отдельных вычислителей, и даже не пытаются «утрамбовать всё в одном». Забавно, но существующие распространённые операционные системы реального времени пока ничем особо не поддерживают такой идеологии, а middleware и «тонкие» протоколы межмашинного обмена для сетей масштаба одной печатной платы и сверхмалых вычислителей – явления почти не существующие. Так что в этой области явно открывается огромная «ниша».

Первое было технологически и фундаментально новым, второе – архитектурно и системно новым, осталось новое в социуме. Его тоже у меня есть. Буквально на днях возникла быстрозатихающая истерика вокруг чуть ли не запрета коммерческого применения беспилотных летательных аппаратов в США (UAV или дронов). Потом Федерация Воздухоплавания пояснила свою позицию и всё стало на свои места. То есть, строго наоборот. Как раз коммерческая эксплуатация (находящаяся в строгих рамках правил) ничуть не запрещена, а вот любительская… С ней получилось неприятно, подозреваю, что в основном по вине толп самих любителей. В общем, любительские автопилоты для UAV попадают под ограничения, эксплуатация любительских UAV разрешается только в пределах прямой их видимости оператором и в режиме управления с земли без обратной связи «через камеру» дрона, и т.д., и т.п., там целый документ большой. Речь идёт о США, это не всемирное пока явление. Но, думаю, что-то подобное будет неизбежным везде. Такой вот социальный эффект 2014 года – взрывной рост доступности и уровня технологий «летающих роботов» привёл к хаосу в их использовании, они стали летать там, где уже реально угрожают, например, пассажирским самолётам (несколько зафиксированных «встреч» с любительскими дронами на высотах более километра), плюс проблемы с авариями самих дронов, плюс судебные скандалы из-за зоркости оптических подсистем любительских дронов etc. Сейчас начинается вторая волна этого социального явления – дело в том, что вокруг любительских дронов сформировалась целая промышленная подсистема, дающая в том числе и рабочие места. И она вместе с фанатами UAV очень болезненно реагирует на запреты. Будет затухающий колебательный процесс, который в итоге приведёт к чему-то рациональному. Посмотрим. Когда ещё в истории человечества возникали государственные проблемы с персональными летающими роботами? По-моему, никогда. Так что нечего и гадать о возможных результатах.

Есть ещё всякого нового, но приберегу.

Откланиваюсь.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365