Мемристор с шестью состояниями и перспективы «странных» вычислений

memristor-02

Новый элемент на базе мемристора можно использовать для создания нейровычислительных систем и компьютеров с десятичной системой счисления.

Судя по всему, новейший фундаментальный электронный компонент, мемристор, еще преподнесет нам сюрпризы. С тех пор как ученые 6 лет назад создали первый мемристор, было показано, что это загадочное устройство может быть использовано для создания целого ряда передовых компонентов и систем, в том числе более компактной энергонезависимой памяти, новых универсальных логических вентилей и нейроподобных компьютеровпомимо прочего. Как утверждают физики из дублинского Тринити-колледжа, теперь в этот список можно добавить память с десятичной системой счисления.

smallMemristor300-1415976068942

Однонаправленная память: нановолокно из оксида титана работает и как диод, и как мемристор. Изображение от Тринити-колледжа.

В отличие от памяти на основе транзисторов, которая может хранить только двоичные значения, мемристор позволяет хранить гораздо больше данных. Ученые из Тринити-колледжа создали мемристор, который способен запоминать шесть состояний, и утверждают, что ничто не мешает увеличить количество состояний до десяти или более.

Вместо того чтобы хранить бит в виде электрического заряда, как это делает флеш-память и динамическая RAM, мемристоры (или RRAM — резистивная RAM) хранят данные как сопротивление. Мемристор «запоминает» уровень протекшего через него тока, изменяя свое внутреннее сопротивление. Если ток протекает в другом направлении, сопротивление уменьшается.

images

Мемристор от Тринити-колледжа работает немного иначе. Прежде всего, в отличие от других мемристоров, он также работает как диод: уровни сопротивления можно контролировать только при протекании тока в одном направлении. Эффект диода реализуется на этапе постпроизводства с помощью так называемого электроформинга. Мемристор состоит из полупроводящего нановолокна из диоксида титана, которое расположено между двумя металлическими электродами. После создания мемристора его подвергают длительному воздействию напряжения 10 В, которое увеличивает популяцию носителей заряда возле интерфейса с катодом, создавая диодный переход.

Новый мемристор не только проводит ток лишь в одном направлении, но и хранит биты иначе. В обычном мемристоре для хранения двух разных уровней сопротивления нужны два разных уровня напряжения: «Вы применяете напряжение 5 В и получаете один уровень сопротивления, применяете 10 В и получаете другой, — говорит Кертис О’Келли (Curtis O’Kelly), физик из Тринити-колледжа, который обнаружил новые свойства вместе с Джоном Боландом (John Boland) и Джессамин Фейрфилд (Jessamyn Fairfield). — В нашем устройстве вы применяете напряжение 7,5 В и переходите на один уровень сопротивления выше, применяете 7,5 В еще раз, и переходите на следующий уровень». Ученые обнаружили, что после шести таких импульсов их устройство достигло состояния насыщения, и больше сопротивление не изменялось. «Вы можете остановиться на любом из уровней, который сохраняется, а позднее применить еще один импульс, чтобы перейти на следующий уровень, или сбросить устройство с помощью единственного отрицательного импульса в -7,5 В, — объясняет О’Келли. — А поскольку наш мемристор является диодом, вы можете сбросить ячейку памяти без протекания тока, что с «обычным» мемристором невозможно».

Как утверждают ученые, эффект памяти можно объяснить физическим изменением, которое имеет место в нановолокне у интерфейса с электродом. «Когда вы применяете положительное напряжение к одному из контактов, вы создаете кислородные вакансии — т.е. удаляете кислород из кристаллической решетки волокна — что облегчает перемещение электронов в металл», — говорит О’Келли. Отрицательный импульс в -7,5 В инъецирует электроны из золотого электрода в нановолокно, уничтожая кислородные вакансии у интерфейса и уменьшая проводимость нановолокна.

Количество уровней сопротивления довольно гибко, и устройство способно достигнуть десяти. «Ограничением здесь является интервал между уровнями», — утверждает О’Келли.

Думая о таких мемристорах, О’Келли воображает память с десятичной системой счисления, которая может хранить 10 разных состояний на ячейку. Конечно, будет ли использование такой памяти оправдано в мире двоичных вычислений, пока неясно. С одной стороны, десятичная память может быть гораздо более компактной. Например, крупнейшее беззнаковое двоичное 64-разрядное целое число — 18 446 744 073 709 551 615 — можно будет сохранить в 20 битах вместо 64. Однако проблема реализации интерфейса между десятичной памятью и двоичной логикой может аннулировать все преимущества. Инженеры-электроники должны будут изобрести «новую инфраструктуру для работы с такой памятью», – утверждает О’Келли.

Чтобы кто-то всерьез отнесся к перепроектированию компьютеров на основе мемристора Тринити, он должен быть существенно улучшен. Джеймс Скотт (James Scott), физик из Кембриджского университета, сравнивает текущее низкое быстродействие элемента с «абаком из восьмого века».

Уменьшение размеров мемристора должно помочь решить эту проблему, предполагает Харика Манем (Harika Manem), инженер-электроник из Университета штата Нью-Йорк. Манем не верит в будущее десятичных вычислений, но полагает, что эти мемристоры с множественными состояниями могут оказаться очень полезны в одной из областей ее исследовательских интересов — нетрадиционных логических системах, основанных на нейросетях. «Мне нравится, что у этого устройства есть контролируемые воспроизводимые согласованные состояния, и если его уменьшить, ему будет проще найти применение», — утверждает Манем.

Об авторе

Александр Хеллеманс освещает развитие науки и технологий в Европе. Вместе с Брайаном Банчем (Bryan Bunch) он написал книгу The History of Science and Technology: A Browser’s Guide to the Great Discoveries, Inventions, and the People Who Made Them from the Dawn of Time to Today (Houghton-Miffin, 2004). В мае 2014 г. он подготовил отчет об альтернативном реакторе для термоядерного синтеза — стеллараторе.

Александр Хеллеманс (Alexander Hellemans), 21 ноября 2014 г.

Еще одна статья по теме:

«Будущее майнинга: мемристоры»

Два кадра из презентации от HP, посвященной инновационной компьютерной архитектуре The Machine:

memrist

FH



Categories: Важное, Майнинг, Технологии

Tags:

Leave a Reply

14 Комментарий на "Мемристор с шестью состояниями и перспективы «странных» вычислений"

Notify of
avatar
trackback
Краткая история нейроморфных компьютеров | Bit•Новости

[…] ОЗУ» и многообещающим результатам первого мемристора компании Knowm, имитирующего принцип действия синапсов. […]

trackback
Создан нейрочип на мемристорах | Bit•Новости

[…] давно следим за прогрессом в области мемристоров, и уже писали о перспективах их использования в […]

trackback
Что если нам оставить Биткойн себе? | Bit•Новости

[…] к системе. Ведь сам принцип работы криптовалют и их творческий и экономический потенциал их не волнует в силу малоумия и узости интересов, а вот […]

Юрий Алексеевич Мышинский
Гость
Похоже это еще один шаг к «мыслящему» компьютеру, ведь мы тоже мыслим не двоично — нулями и единицами. Кроме того, я думаю что проблема обратного преобразования сохраненной информации в двоичный код не настолько велика, ведь данные в новой ячейке памяти могут быть и шестнадцатиричными. А это уже большой плюс. Шестнадцатиричная система счисления широко используется в низкоуровневом программировании, поскольку в современных компьютерах минимальной единицей памяти является 8-битный байт, значения которого удобно записывать двумя шестнадцатеричными цифрами. Не забывайте и про шестнадцатеричный цвет — запись трёх компонентов цвета (R, G и B) в шестнадцатеричном виде, если количество операций преобразования и ячеек памяти необходимых… Read more »
tango
Участник

мыслим не двоично

Более того, не факт, что последовательно по времени, и уж точно — без тактовой частоты
А вообще, да, если неизвестно куда идти, то никто не запретит думать, что любой шаг в любом направлении ведет к цели

Юрий Алексеевич Мышинский
Гость
Все пути одинаковы — они ведут в никуда. Спроси себя, есть ли у этого пути сердце? Если есть — путь хорош; если нет — он бесполезен. Все пути ведут в никуда, но у одного пути есть сердце, а у другого — нет. Один путь доставляет радость, и пока ты идёшь по нему — ты неотделим от него; а другой путь заставляет тебя проклинать всю свою жизнь. Один путь наделяет тебя силой, другой — лишает её. Карлос Кастанеда А если серьезно, то было бы круто увидеть как компьютеры перейдут из двоичной системы обработки информации к градиентной, 4,8,16 и так далее, представьте… Read more »
tango
Участник

В пределе вы перейдете к аналоговым устройствам 🙂

Энтузиазм не возможно искоренить (с)

или

Усердие все превозмогает!

(c)Прутков Козьма

Юрий Алексеевич Мышинский
Гость

Аналоговый, теплый лапмовый звук, без хруста нулей и единиц, что может быть приятней? Под бодрое щелканье схваченых в обьятьях пламени поленьев в камине, кресла-качалки и теплого пледа на коленях, в промозглую дождливую погоду…

Аналогово-цифровой компьютер, вы гений! 🙂

tango
Участник

comment image

V
Участник

В разговоре с Танго Кастанеда бесполезен (проверено), вы лучше ученых вспоминайте, а то спор все равно за ним будет =D

танго
Гость

В попытках снифа интерфейса между головным и спинным мозгом следует учитывать, что они оба являются переферийными процессорами

trackback
Будущее майнинга: мемристоры | Bit•Новости

[…] Продолжение темы мемристоров […]

arvicco
Администратор

Ну вот, только что была первоапрельская хохма о «десятичном компьютинге»: http://bitnovosti.com/2015/04/01/sueddeutsche-zeitung-smart-contracts/comment-page-1/#comment-57944

А он, оказывается, уже совсем не за горами и в реальной жизни. 😉

Анонимно
Гость
Сомневаюсь, что будут использовать именно 10 состояний. Вероятно, выберут то количество, которое достаточно устойчиво. Если это будет 2 состояния — будут в ячейке хранить 1 бит, если 4 — 2 бита, если 8 — 3 бита, если 16 — 4 бита. Если число состояний не будет степенью двойки, то будет хранится «дробное» число бит, благо математика позволяет из этого извлечь выгоду, «размазывая» данные по нескольким ячейкам. Например, если состояния 3 у одной ячейки, то у двух ячеек 3х3=9, и в них можно разместить 3 бита информации. Если состояния не 3, то и комбинировать «объединять» можно не 2, а больше ячеек… Read more »
wpDiscuz