I опытный образец мемристора именно как функционального элемента электрической цепи был создан в лабораториях американской компании Hewlett-Packard в апреле 2008 г. группой исследователей под руководством Стенли Уильямса. Сейчас же в HP думают, что мемристоры начнут вытеснять с рынка флэш-память уже в будущем г., к 2014-2016 гг. они смогут заменить чипы оперативной памяти и жёсткие диски, а в 2020 г. могут возникнуть и мемристорные компьютеры. Познакомимся с принципом работы и способами физической реализации этого интересного элемента.

Сперва немножко теории. Электрическая цепь может описываться четырьмя физическими величинами: в любой точке (сечении) - силой тока (I) и зарядом (Q), м/у 2-мя точками (поверхностями) - напряжением или разностью потенциалов (U) и магнитным потоком (Φ). Все эти 4 величины попарно соотносятся друг с другом, при этом эти соотношения представлены в физических элементах электросхемы. Так, резистор (сопротивление) реализует взаимосвязь силы тока и напряжения, конденсатор (ёмкость) - напряжения и заряда, катушка индуктивности - магнитного потока и силы тока. Эти 3 пассивных элемента - резистор, конденсатор и катушка индуктивности - считаются основными в электротехнике, так как электрическую схему каждый сложности теоретически возможно свести к эквивалентной схеме, построенной только из сопротивлений, ёмкостей и индуктивностей.

В 1971 г. американский физик Леон О. Чуа из Калифорнийского университета в Беркли выдвинул гипотезу, по которой должен существовать IV базовый элемент электросхемы, который описывал бы взаимосвязь магнитного потока с зарядом. Подобный элемент нереально составить из иных основных пассивных элементов, впрочем уже тогда его возможно было смоделировать при помощи комбинации активных элементов, к примеру операционных усилителей.

Чуа назвал "недостающий" элемент мемзистором - от слов "резистор" и "memory", то есть "память". Это имя описывает одну из параметров мемзистора, так называемый гистерезис, "эффект памяти", означающий, что свойства этого элемента зависят от приложенной раньше силы. В этой ситуации сопротивление мемристора зависит от пропущенного ч/з него заряда, что и дает возможность применять его в качестве ячейки памяти. Это свойство было названо мемрезистивностью (M), значение которой есть отношение перемены магнитного потока к изменению заряда. Величина M зависит от числа заряда, прошлого ч/з элемент, то есть от того, как долго ч/з него протекал электрический ток.

Принципиальное различие мемристора от большей части типов современной полупроводниковой памяти и его основное преимущество перед ними заключаются в том, что он не хранит свои свойства в виде заряда. Это значит, что ему не страшны утечки заряда, с которыми приходится бороться при переходе на микросхемы нанометровых масштабов, и что он целиком энергонезависим. Легче говоря, данные могут храниться в мемристоре до тех пор, пока существуют материалы, из которых он изготовлен. Для сравнения: флэш-память начитает терять записанную информацию уже после г. хранения без доступа к электрическому току.

Претворить в жизнь на практике эту красивую теорию удалось только в 2008 г., когда возникли подходящие материалы и технологии. Достижение группы исследователей HP под руководством Стэнли Уильямса фактически сложно переоценить: в первый раз со времён Фарадея удалось физически воспроизвести принципиально новый элемент электрических цепей! К слову, одним из ведущих девелоперов группы Уильямса и соавтором научной статьи о мемристорах в журнале Nature стал наш соотечественник Дмитрий Струков.

Конструктивно мемристоры существенно легче флэш-памяти: они состоят из тонкой 50-нм плёнки, состоящей из 2-х слоёв - изолирующего диоксида титана и слоя, обеднённого кислородом. Плёнка находится м/у 2-мя платиновыми 5-нм электродами. При подаче на электроды напряжения меняется кристаллическая структура диоксида титана: благодаря диффузии кислорода его электрическое сопротивление растет на несколько порядков (в тыс. раз). При этом после отключения тока перемены в ячейке сохраняются. Смена полярности подаваемого тока переключает состояние ячейки, при этом, как утверждают в HP, количество подобных переключений не ограничено.

На практике мемристор может принимать не только лишь обычные для рядовых чипов памяти 2 положения - 0 или 1, но еще и любые значения в промежутке от нуля до единицы, так что подобный переключатель способен вести работу как в цифровом (дискретном), так и в аналоговом режимах.

Чтоб эффективно применять свойства мемристоров, требуется включить их в состав электрической цепи с активными элементами. В начале 2009 г. в Hewlett-Packard была разработана такая гибридная микросхема. Чип представляет собою матрицу из 42 проводников поперечником 40 нм, 21 из которых натянуты попутно друг другу, а иные 21 - перпендикулярно им. Слой диоксида титана толщиной 20 нм расположен м/у взаимно перпендикулярными проводниками, и в таких местах создаются мемристоры. Кругом этой "сетки" расположен массив полевых транзисторов, подключённых к выводам мемристоров.

В августе 2010 г. HP и небезызвестный производитель микросхем памяти Hynix Semiconductor основали совместное предприятие, которое будет заниматься выпуском мемристорных чипов и их продвижением на рынке в качестве перспективной альтернативы флэш-памяти. Уильямс считает, что серийное производство может оказаться развёрнуто уже к 2013 г.. По его оценкам, при той же цене, что и флэш-память, мемристорные чипы будут обладать хотя бы в два раза крупным объёмом, будут значительно скорее её и в 10 раз экономичнее.

Конечно же, кроме научных работников Hewlett-Packard исследованиями мемристоров занимаются и иные коллективы исследователей. Например, в американском Университете Райса разрабатывают подобные элементы памяти не из диоксида титана, а из намного более дешёвого оксида кремния, который просто получить из обычного песка. Расчётная толщина слоя оксида кремния составляет от 5 до 20 нм, скорость переключения - не более 100 нс. В Университете Райса была к тому же успешно решена задача многократной записи в ячейки памяти на базе мемристоров из оксида кремния.

В американском Национальном институте стандартов и технологии (NIST) была разработана технология изготовления гибких элементов памяти на базе мемристоров из диоксида титана. В качестве подложки был использован полимерный материал, а получившийся элемент сохраняет работоспособность после 4-х тыс. циклов изгиба.

В апреле 2010 г. в HP объявили о существенном прогрессе в исследованиях мемристоров: в лабораториях компании разработаны образцы ячеек со стороной 3 нм и скоростью переключения возле одной наносекунды. К тому же, учёным удалось сделать трёхмерный массив этих элементов, способный исполнять логические операции и работающий аналогично синапсам - "сигнальным линиям" м/у нейронными клетками в мозгу человека. Скорость передачи сигнала по синапсу зависит от времени активации нейронов: чем менее временной промежуток м/у активацией, тем скорее передаётся сигнал по синапсу. Точно так же работает и массив мемристоров: при подаче тока с промежутками в 20 мс сопротивление мемристора в два раза менее, чем при 40-мс промежутках.

По заверениям Стэнли Уильямса, наименее чем ч/з 3 г. 3d-массив мемристоров даст возможность размещать 20 Гбайт данных в объёме 1 см3, сравнимом с кусочком сахара. Если же применять достаточное число мемристоров, то теоретически вероятно сделать действующую модель мозга - и не просто с возможностью вычислений, но еще и с функцией самообучения.

Исследования в области искусственного разума, а конкретнее по созданию искусственного мозга на базе мемристоров, ведутся тоже в Университете штата Мичиган под руководством Вея Лу. Тут была построена модель мемристора на базе слоя из смеси серебра и кремния и вольфрамовых электродов, при этом в ближайших планах исследователей - создание крупных схем, состоящих из тыс. этих элементов.

Уже изученные свойства мемристоров позволяют говорить о том, что на их базе возможно делать компьютеры принципиально новой архитектуры, по производительности существенно превышающие полупроводниковые. Современные компьютеры построены на базе архитектуры фон Неймана: и данные, и утилиты хранятся в памяти машины в двоичном коде, при этом вычислительный модуль отделён от устройств хранения, а утилиты выполняются последовательно, 1 за иной. Прогрессивная в сер. прошедшего века, такая архитектура сейчас уже не отвечает требованиям, предъявляемым к компьютерной технике: утилиты стали гораздо труднее, а объёмы обрабатываемых данных выросли на порядки, если не в десятки порядков.

Компьютер на базе мемристоров может стать значительным шагом вперёд, так как он способен моделировать работу человеческого мозга, в коем нет какого-то единого центра сбора и обработки информации. Любой блок получает, перерабатывает и передаёт в иные блоки, на мышцы, органы чувств свои массивы данных, жалкие в сравнении со всем объёмом поступающей информации. По недавним подсчётам, чтоб построить модель коры мозга человека из современных компьютерных комплектующих, понадобится хотя бы 150 000 процессоров и 144 Тбайта одной лишь оперативной памяти, при этом речь не идёт даже об интеллекте ур. новорожденного.

В мемристорном компьютере попутно и независимо друг от друга работают большое количество модулей, а возможность запоминать и оперировать неограниченным множеством значений от 0 до 1 обозначает, что исполняемые утилиты не ограничены двоичным кодом. К тому же, будут в принципе ненужными некоторые аппаратные компоненты компьютера - процессоры, видеочипы, память и жёсткие диски; машина будет архитектурно однородным устройством, где одновременно будут храниться все данные и проводиться все операции с ними. Для апгрейда довольно будет поставить бонусные мемристорные модули, а для ремонта - заменить вышедшие из строя.

Мемристорный компьютер не нужно будет "загружать": тут же после включения он будет готов продолжить работу, при этом с того самого места, на коем она была прервана. В сравнении с современной техникой, потребление энергии мемристорных машин будет ничтожным, а вычислительная мощность просто гигантской.

Принимая во внимание, что до серийного производства мемристоров остался фактически 1 шаг, весьма может оказаться, что именно мемристорный компьютер станет промежуточной ступенью на дороге к квантовому компьютеру.