Мемристор

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Обозначение мемристора на электрических принципиальных схемах
Соотношения между четырьмя фундаментальными электрическими переменными и двухполюсниками, связывающими эти переменные
Схема устройства мемристора

Мемри́стор (от англ. memory — память, и англ. resistor — электрическое сопротивление) — пассивный электрический элемент, двухполюсник в микроэлектронике, способный изменять своё сопротивление в зависимости от протекшего через него электрического заряда (интеграла тока по времени).

Может быть описан как двухполюсник с нелинейной вольт-амперной характеристикой, обладающей гистерезисом[1].

Математическая модель

[править | править код]
Вольт-амперные характеристики образца мемристора снятые при трёх разных частотах приложенного напряжения

Теория мемристора была разработана в 1971 году профессором Леоном Чуа[англ.] (Цай Шаотаном в китайской транскрипции[2]). В ней устанавливаются отношения между интегралами по времени силы тока, протекающего через элемент, и напряжением на нём. Долгое время мемристор считался теоретическим объектом, который нельзя построить[источник не указан 1371 день].

Однако лабораторный образец запоминающего элемента, демонстрирующего некоторые свойства мемристора[3][4], был создан в 2008 году коллективом учёных во главе с Р. С. Уильямсом в исследовательской лаборатории фирмы Hewlett-Packard[5][6][7][8].

В отличие от теоретической модели, полученное устройство не накапливает заряд, подобно конденсатору, и не сохраняет магнитный поток, как катушка индуктивности. Работа устройства (изменение его сопротивления — резистивное переключение, — и других свойств[4]) обеспечивается за счёт химических превращений в тонкой (5 нм) двухслойной плёнке диоксида титана. Один из слоев плёнки слегка обеднен кислородом, и кислородные вакансии мигрируют между слоями под действием приложенного к устройству электрического напряжения. Данную реализацию мемристора следует отнести к классу наноионных устройств.

Наблюдающееся в мемристоре явление гистерезиса позволяет использовать его в качестве ячейки памяти (RRAM). Гипотетически мемристоры смогут заменить транзисторы в некоторых частных применениях.

Теоретически мемристорные запоминающие элементы могут быть более компактными и быстрыми, чем современная флеш-память. Также блоки из них могут заменить ОЗУ. Особенность мемристоров «запоминать» заряд может позволить впоследствии отказаться от загрузки системы компьютера: в памяти компьютера, отключённого от питания, будет храниться его последнее состояние. При поддержке со стороны программного обеспечения компьютер можно будет включить и начать работу с того места, на котором она была остановлена при выключении.

По заявлениям Hynix и Hewlett-Packard, технология готова к производству. Изначально сообщалось, что накопители на базе мемристоров выйдут в 2013 году[9], но затем выпуск был перенесён на 2014 год[10][11].

В 2014 году HP опубликовала проект суперкомпьютера The Machine, в котором планируется использовать волоконно-оптические линии связи и память на базе мемристоров[12]. Рабочий прототип устройства продемонстрирован в конце 2016 года, коммерциализация технологии ожидалась к 2018 или 2019 году[13]. До сих пор ведутся работы по этому направлению.

Перспективы применения в качестве вычислительных устройств

[править | править код]

Мемристоры могут быть использованы не только для хранения данных. Так, М. Ди Вентра и Ю. В. Першиным была предложена концепция вычислительных машин, в которых хранение и обработка информации осуществляется одним и тем же физическим устройством, основанным на мемристорах[14][15].

Рассматривается возможность применения мемристоров в качестве искусственных синапсов (весовых модулей) нейропроцессоров и искусственных нейросетей. Поведение мемристора напоминает работу биологического синапса — чем интенсивнее входной сигнал, тем выше пропускная способность синапса («вес» сигнала). В частности, нейросети на основе мемристоров могут обучаться по биоподобным локальным правилам, таким как STDP[англ.][16]. Это решение позволит сильно упростить конструкцию нейропроцессора и уменьшить его стоимость, так как хорошо приспособлен для производства на уже имеющихся технологических линиях по производству микросхем. Однако, (2021 год) остается нерешённой основная проблема мемристорных устройств — их воспроизводимость (как от экземпляра к экземпляру, так и от цикла к циклу переключения состояния).

См. также

[править | править код]

Примечания

[править | править код]
  1. ↑ Pershin, Y. V.; Di Ventra, M. (2011), "Memory effects in complex materials and nanoscale systems", Advances in Physics, 60 (2): 145, arXiv:1011.3053, Bibcode:2011AdPhy..60..145P, doi:10.1080/00018732.2010.544961
  2. ↑ Chua, Leon O, «Memristor—The Missing Circuit Element Архивная копия от 13 декабря 2013 на Wayback Machine», IEEE Transactions on Circuit Theory. 18.5 (1971): 507—519.
  3. ↑ «The Missing Memristor: Novel Nanotechnology or rather new Case Study for the Philosophy and Sociology of Science?» by Sascha Vongehr, Advanced Science Letters 17, pp. 285—290 (2012), arXiv:1205.6129 Архивная копия от 26 августа 2016 на Wayback Machine
  4. ↑ 1 2 Бёрд Киви, Мемристоры: пора ли переписывать учебники? Архивная копия от 9 января 2015 на Wayback Machine // 3DNews, 18 декабря 2014: "А было ли открытие? … следует отметить существенные различия между тем мемристором, который был теоретически предсказан Леоном Чуа в 1971 году и тем устройством … наноконструкция, обнаруженная в HP, фактически представляет собой аналоговое запоминающее устройство, которое вообще не требует для своей работы эффектов магнетизма.
  5. ↑ "HP Labs Proves Existence of New Basic Element for Electronic Circuits. "Memristor" discovery could lead to far more energy-efficient computing systems with memories that don't forget, never need to be booted up". press-release (англ.). HP. 2008-04-30. Архивировано 11 января 2015. Дата обращения: 9 января 2015.
  6. ↑ Strukov, Dmitri B., et al. «The missing memristor found Архивная копия от 9 января 2015 на Wayback Machine.» // Nature 453.7191 (2008): 80-83. doi:10.1038/nature06932
  7. ↑ Четвертый элемент: специалисты HP воплотили в жизнь технологию памяти, придуманную 37 лет назад Архивная копия от 26 февраля 2009 на Wayback Machine // IXBT, 05 Мая, 2008
  8. ↑ Sally Adee (2008-05-01). "The Mysterious Memristor. Researchers at HP have solved the 37-year mystery of the memory resistor, the missing 4th circuit element" (англ.). IEEE Spectrum. Архивировано 9 января 2015. Дата обращения: 9 января 2015.
  9. ↑ HP, Hynix to launch memristor memory 2013 Архивная копия от 8 января 2015 на Wayback Machine // EETimes, Peter Clarke, 2011-10-06
  10. ↑ Разработка мемристоров завершена, но HP и Hynix не хотят подрывать рынок флэш-памяти Архивная копия от 18 мая 2017 на Wayback Machine // IXBT, 28 Сентября, 2012
  11. ↑ Memristors' one-year delay will hit IT in the wallet Архивная копия от 3 октября 2012 на Wayback Machine // ZDNet, July 10, 2012
  12. ↑ Peter Bright (2014-06-11). "HP plans to launch memristor, silicon photonic computer within the decade Electrons, photons, and ions will work together to revolutionize computing" (англ.). arstechnica. Архивировано 10 января 2015. Дата обращения: 9 января 2015.
  13. ↑ "HP представила прототип суперкомпьютера, который в 8000 раз быстрее существующих ПК". Типичный программист. Архивировано 20 декабря 2016. Дата обращения: 6 декабря 2016.
  14. ↑ M. Di Ventra, Y. V. Pershin. Memcomputing: a computing paradigm to store and process information on the same physical platform Архивная копия от 23 декабря 2015 на Wayback Machine // Nature Physics 9, 200—202, 2013; arXiv:1304.1675 Архивная копия от 25 февраля 2021 на Wayback Machine (англ.)
  15. ↑ "The Computer That Stores and Processes Information At the Same Time" (англ.). MIT Technology review. 2012-11-21. Архивировано 9 января 2015. Дата обращения: 9 января 2015. Emerging Technology From the arXiv
  16. ↑ Teresa Serrano-Gotarredona, Timothée Masquelier, Themistoklis Prodromakis, Giacomo Indiveri, Bernabe Linares-Barranco. STDP and STDP variations with memristors for spiking neuromorphic learning systems (англ.) // Frontiers in Neuroscience. — 2013. — Т. 7. — ISSN 1662-453X. — doi:10.3389/fnins.2013.00002. Архивировано 28 ноября 2020 года.

Литература

[править | править код]

Ссылки

[править | править код]
Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Мемристор&oldid=136670211