Будущее майнинга: мемристоры

memristor-die-wafer-shot-640x426В то время, как проблема масштабируемости современной «классической» микроэлектроники, построенной на транзисторах, становится всё более актуальной, — как с технологической, так и с экономической точки зрения: ведущие инженеры стараются найти что-то принципиально новое в погоне за сверхпроизводительностью. И очень похоже на то, что всё-таки нашли.

Проблемы транзисторных вычислительных схем

Транзисторы, безусловно совершили революцию в том, как человечество хранит и обрабатывает информацию. Однако, транзисторы, при всей своей универсальности, имеют ряд серьёзных ограничений, не позволяющих упаковывать их всё более и более плотно. Во-первых, это дороговизна технологического процесса: чтобы окупить производство кристаллов с ещё большей плотностью, устройства придётся продавать миллиардными тиражами. Это выглядит даже не как риск, а скорее — как недостижимая цель для реального бизнеса.

Вторая сложность — это паразитные явления, возникающие в элементах ещё меньшей величины: транзисторы начинают вести себя не так, как им положено. Для производства таких транзисторов придётся использовать принципиально иной механизм запирания, чем тот, который сейчас используется с применением классических полупроводниковых элементов. Конечно, в виде экспериментов уже существуют, например молекулярные транзисторы, однако их прототипы ещё очень и очень далеки от промышленного использования.

Ну и в контексте майнинга криптовалют, критически важным становится энергопотребление. Трназистор — это активный элемент, а значит, для его работы требуется питание. Конечно, современные транзисторы очень и очень энергоэффективны, но из-за того, что питание ему всё-таки требуется, мы не можем плотно укладывать на одном чипе транзисторы в некое подобие трёхмерной структуры, хотя попытки предпринимаются и в этой области. Непреодолимым препятствием здесь встанет тепловыделение. Иными словами, тепловыделение возрастает пропорционально количеству слоёв интегральной схемы, что потребует дополнительных дорогостоящих и массивных охлаждающих систем, которые невилируют все преимущества от послойной «упаковки» транзисторных конструкций, особенно, если мы говорим о майнинговых ASIC-чипах, загруженных всегда почти на 100% своей производительности. Плюс, конечно же, не последнюю роль играют и затраты на электроэнергию. Особенно, в майнинге, где она составляет большую долю в себестоимости криптомонет.

Что такое мемристор

Давайте начнём с элементной базы. Любую электронную схему можно представить в виде соединённых между собой источников питания и пассивных двухполюсных элементов (пассивных — потому что для их работы не требуется отдельное питание, а двуполюсники — потому что имеют всего 2 контакта для подключения в схему). До недавнего времени человечество знало и использовало лишь 3 пассивных двухполюсных элемента: конденсатор, резистор и катушка индуктивности (такие компоненты, как например, диод не рассматриваются как элементарные, потому что могут быть заменены эквивалентной схемой из элементарных компонент и источников питания). Эти элементы линейно связывают попарно величины, измеряемые в точке (заряд и ток) и на участке цепи (напряжение и магнитный поток): резитор связывает линейно силу тока и напряжение, конденсатор — заряд и напряжение, катушка — магнитный поток и силу тока. В 1971 году математик Леон Чуа, исходя из принципа симметрии предположил, что должен существовать четвёртый элемент, линейно связывающий заряд и магнитный поток.

memristor02         memristor

Он и его последователи описали его свойства, но в течение очень долгого времени этот элемент не могли получить в жизни. Однако прорыв был совершён в 2008 году лабораторией HP (HP Labs), когда им, наконец, удалось получить этот элемент. Он недаром называется мемристором и действительно обладает «памятью»: в зависимости от величины и направления протекающего через него тока он меняет своё сопротивление и сохраняет его даже при полном длительном отключении. Идея очень простая: большим напряжением можно менять состояние мемристора, а малым — считывать его.

Сфера и преимущества использования меристоров

Мемристор оказался очень универсальным элементом, поскольку может служить как для хранения данных, так и для выполнения вычислений. Фактически, это означает, что на одном кристалле можно разместить массив из мемристоров, использование которых будет динамически распределяться управляющей схемой в реальном времени: те, мемристоры, которые не задействованы для хранения данных, могут быть использованы для вычислений. Таким образом, мы на одном кристалле получаем полноценный универсальный компьютер, к которому останется лишь подключить устройства ввода-вывода и другую периферию.

Будучи пассивным элементом, он не требует питания, а значит требует для работы на порядки меньше электроэнергии, чем транзитор и гораздо более компактен. Неожиданным и очень приятным бонусом стало то, что мемристивный эффект лишь усиливается с уменьшением размеров элемента, что безусловно будет благоприятствовать дальнейшему масштабированию техпроцесса.

Благодаря своей пассивности, во-первых, возрастает энергоэффективность, а во-вторых, благодаря существенно более низкому тепловыделению, появляется возможность укладывать мемристорные плёнки послойно и почти неограниченно — на одном кристалле.

Мемристор имеет колоссальный рабочий ресурс и может хранить «запомненное» состояние практически неограниченное время после отключения питания. Время переключения состояния — пикосекунды, то есть на порядки быстрее, чем даже в современной оперативной памяти. Двухмерный массив из мемристоров в производстве намного проще, чем транзисторная схема процессора, а значит, техпроцесс станет дешевле. Вот как выглядит простейший мемристорный процессор:

Здесь в каждом «пересечении» дорожек находится отдельный мемристор, и как видно, он имеет очень простую структуру.

Кроме всего прочего, мемристоры практически копируют работу синапсов (соединений) нервных клеток, а потому его можно использовать как для «копирования» структуры нейронов головного мозга, так и разработать новые нейроноподобные структуры, которые будут работать также быстро и эффективно, как «живые» нейронные структуры. Это существенно приблизит нас к созданию искусственного интеллекта. Хорошо это или плохо — конечно, предмет серьезных обсуждений, но моё личное мнение, что интеллектуальные системы несут гораздо больше пользы, нежели потенциального вреда.

Мемристоры как основа для майнинг-чипов

Благодаря своей невероятной энергоэффективности, майнинг с применением мемристоров сможет выйти на качественно новый уровень. Благодаря своей масштабируемости и возможности создавать трёхмерные структуры, на мемристорах можно построить не просто высокопроизводительный «переборщик» хэш-сумм, но можно будет создать такую структуру, которая за 1 такт сможет просчитывать сразу множество хэшей блоков с целым диапазоном nonce-компонент этих блоков. Притом все транзакции можно держать тут же, в памяти чипа и динамически его изменять, если в сети будут появляться новые транзакции.

Мощность промышленной фермы, которые сейчас занимают целые дата-центры, можно будет уместить в одну стойку, которая при этом будет потреблять электроэнергии как холодильник. Первый производитель майнинг-чипов (или производитель мемристорных чипов), который до этого додумается и воплотит в железе, получит невероятное конкурентное преимущество. Самые производительные ASIC чипы на транзисторах, которые существуют на сегодняшний день по сравнению с мемристорными ASIC-чипами будут выглядеть в контексте майнинга так же убого, как центральный процессор по сравнению с этими же транзисторными ASIC-чипами.

Подобные «гибридные» чипы с успехом можно будет задействовать и для других вычислительных задач, что безусловно станет ответом критикам, упрекающим майнеров в нерациональном расходе электроэнергии и якобы бесполезной загрузке мощностей производства микроэлектроники. Хотя, с другой стороны, а что вы хотели? Это рынок, детка 🙂 Таким образом, вся «мемристорная» вычислительная мощность никогда не будет простаивать: она будет задействована либо для майнинга биткойнов, либо, например, для поддержания сети MaidSafe, или выполнения других ресурсоёмких вычислений, если рыночная добавленная стоимость таких вычислений будет выше майнинга.

Повод для размышлений

В Интернете вы легко сможете найти очень много разной информации о мемристорах. Однако для меня всё же остаётся загадкой, почему никто до сих пор не проводил серьёзных исследований в сфере использования мемристоров как основы для майнингового оборудования будущих поколений. Всё, что мне удалось найти на эту тему — один скупой тред в Reddit. Лично я уверен в том, что рано или поздно (возможно, уже где-то в 2016 году) майнинговая индустрия придёт к мемристорам, а затем, возможно и к каким-то квантовым элементам.

Если среди прочитавших эту статью появятся энтузиасты, готовые развивать тему дальше, то пишите в коменты. Возможно, нам удастся произвести революцию в майнинге некими совместными усилиями 😉

Продолжение темы мемристоров



Categories: Майнинг, Технологии, Футурология

Tags: , ,

Leave a Reply

19 Комментарий на "Будущее майнинга: мемристоры"

Notify of
avatar
trackback
Создан нейрочип на мемристорах | Bit•Новости

[…] в области мемристоров, и уже писали о перспективах их использования в биткойн-майнинге. Помимо этого применения, мемристоры сулят серьезный […]

trackback
Мемристор с шестью состояниями и перспективы «странных» вычислений | Bit•Новости

[…] «Будущее майнинга: мемристоры» […]

arkadij
Гость

Только когда можно купить. И подойдёт ли к современному ноутбуку.

Цыклоп
Гость

Изумительная статья! Вот мы тут сидим, копаемся в говне, а где-то… назревает новая компьютерная революция. Красота-то какая! Сразу вспомнился анекдот:

Поехал деревенский мужик в город. Возвращается — масса впечатлений. Его собралась послушать вся деревня. Спрашивают:
— Ну, Ваня, расскажи, чего в городе видел.
— Видел фейерверк.
— А что это такое?
— Ну, стоишь на улице, сначала ничего, потом ПИЗДЫК! ХУЯК! ХУЯК! И опять ничего. А что ты плачешь, Мань?
— Да как же мне не плакать, Вань! Красота-то какая!

Павел
Гость

Из статьи не понял — а производство «обычных» процессоров по этой технологии ведется? Там рынок сбыта значительно больше, мы точно не увидим асиков-мемристоров до появления «обычных» мемристоров. Или смысл в том, что это будет одно и то же?

Павел
Гость

Интересно, а никто не считал теоретический хешрейт у D-Wave псевдоквантового?

Цыклоп
Гость

А почему «псевдо-«? Утверждают ведь, что там все по-настоящему квантовое?

Павел
Гость

По-моему регулярно критика от ученых поступает, что он только часть принципов гипотетического квантового компьютера выполняет.

at
Гость

Так может потому и не говорят, что уже зарабатывают на этом 🙂

Сеня
Гость

Если биткоин за 10к перевалит, то точно начнут внедрять такие чипы 🙂

Kiwi
Гость

Ого, крута! Я правильно понял что асик для майнинга на мемристорах будет не бесполезным девайсом, который кроме хешей ничего считать не умеет, а гибко пере программируемым устройством под любую задачу?

Sham
Гость

HP молодцы! Нужно развивать тему дальше, в нашем направлении 😉

Посторонний-В
Гость

шикарное открытие. Очень вовремя.

Кстати интел уже третий год клепает процессоры с практически одинаковой производительность.
Упор идет в основном на графическую составляющую, которая на данный момент дно, т.к. не может держать глубину цвета 10 бит. Зато сколько маркетинговых возгласов….

jonn113
Гость

‘HP The Machine’ хотел написать тоже самое)
http://habrahabr.ru/post/226073/

Cyr
Гость

Google ‘HP The Machine’. 34 всех сотрудников исследовательского центра HP сейчас этим заняты.

wpDiscuz