Исследователи из компании HP (Hewlett-Packard) сообщили о
своих новых успехах в развитии технологии мемристоров – элементов, которые
должны пополнить традиционный набор «кирпичиков» для микроэлектроники.
Мемристоры сочетают в себе уникальные свойства – их состояние можно менять и
считывать, прикладывая напряжение к элементу, но при этом для сохранения
состояния не нужно поддерживать магнитную индукцию. Таким образом, мемристоры
могут стать основой для новых технологий энергонезависимой памяти, сочетающей в
себе функции хранилища информации и логические элементы для обработки данных.
До сих пор все электронные схемы памяти строятся на базе
конденсаторов, индуктивностей и резисторов. Тем не менее, еще в 1971 году было
предложено создать элементы на базе потока магнитной индукции – эти
теоретические элементы получили название «мемристор» («memory resistor»
- резистор с эффектом памяти). Только в 2008 году удалось создать первые
рабочие образцы мемристоров с временем переключения состояния порядка 2
микросекунд. Сейчас в распоряжении ученых есть мемристоры, которые
переключаются в состояние повышенного или пониженного сопротивления всего за 2
микросекунды. Высокое и низкое сопротивление элемента интерпретируются как
биты информации, а переключение из одного состояния в другое выполняется за
счет приложения положительного (повышение сопротивления) или отрицательного
(понижение сопротивления) заряда к полюсам мемристора.
Новые открытия ученых из HP Labs показывают, что мемристоры
уже в ближайшем будущем можно использовать для производства массовой продукции.
Ключевое свойство мемристоров - их стабильность. Если приложить к элементу
напряжение меньше критического (требуемого для переключения), выполняется
просто считывание значения, записанного в мемристор, который в таком случае
работает как энергонезависимое постоянное запоминающее устройство. Значение
бита (0 или 1) считывается по величине тока, протекающего через мемристор.
Производство мемристоров все еще сопряжено с большими
техническими трудностями. В то же время мемристоры таят в себе невероятные
преимущества. Так, усиливая протекающий через мемристор ток, можно задавать
состояние соседних мемристоров – в этом случае мемристоры выполняют роль не
только запоминающих, но и логических элементов, а сама эта операция носит
название «материальная импликация» (material implication). Новейшие
исследования показывают, что мемристоры могут выполнять весь спектр логических
операций. В частности, уже известно, что любые логические операции можно
выполнять с использованием логических вентилей NAND (not-and – «не-или»). Три
мемристора способны образовать полноценный вентиль NAND с использованием
вышеописанной «материальной импликации».
В итоге ученым удалось показать, что из двух мемристоров и одного резистора можно
построить логический вентиль «IMP» (прямая импликация), а добавление еще одного
мемристора с постоянным значением «ЛОЖЬ» позволяет выполнять весь набор
логических операций.
Главный результат новой работы исследователей HP
заключается в демонстрации возможностей нового элемента по созданию
энергонезависимых и программируемих логических схем. Само собой, ситуация не
изменится в одночасье, но компания HP смотрит в будущее с оптимизмом. Уже в
течение трех лет представители HP обещают выпустить запоминающие устройства на
основе мемристоров с небывалой плотностью хранения данных – до 20 Гбайт на
квадратный сантиметр. Доктор наук Стэн Уильямс (Stan Williams) рассказал газете
«Нью-Йорк Таймс», что в распоряжении исследователей уже есть рабочие образцы
мемристоров размером всего 2 нанометра, а время переключения состояния
составляет всего 1 наносекунду – одну миллиардную долю секунды. Для сравнения
самые современные транзисторы в микросхемах имеют размер порядка 30-40
нанометров. Нынешние мемристоры работают за счет смещения отдельных атомов в
сверхтонкой пленке диоксида титана с помощью электрического тока. После такого сдвига
смещение составляет около 1 нанометра – сопротивление элемента меняется и
сохраняется до следующего переключения.
Подробнее о новейших исследованиях в области серийного
производства и промышленного применения мемристоров можно узнать из
оригинальной статьи Уильямса и соавторов в журнале Nature
(DOI: 10.1038/nature08940).
По материалам сайтов Electronista,
The
New York Times и Ars
Technica.
|
