Цифровой журнал «Компьютерра» № 54

В августе 2010 года HP и известный 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 быть развёрнуто уже к 2013 году. По его оценкам, при той же цене, что и флэш-память, мемристорные чипы будут обладать как минимум вдвое большим объёмом, будут существенно быстрее её и в десять раз экономичнее.

Разумеется, помимо научных сотрудников Hewlett-Packard исследованиями мемристоров занимаются и другие коллективы учёных. К примеру, в американском Университете Райса разрабатывают такие элементы памяти не из диоксида титана, а из гораздо более дешёвого оксида кремния, который легко 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 также успешно решена задача многократной записи в ячейки памяти на основе мемристоров из оксида кремния.

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

В апреле 2010 года в HP объявили о существенном прогрессе в исследованиях мемристоров: в лабораториях компании разработаны образцы ячеек со стороной 3 нм и скоростью переключения около одной наносекунды. Кроме того, учёным удалось создать трёхмерный массив таких элементов, способный выполнять логические операции и работающий аналогично синапсам — «сигнальным линиям» между нейронными клетками в мозгу человека. Скорость передачи сигнала по синапсу зависит от времени активации нейронов: чем меньше временной промежуток между активацией, тем быстрее передаётся сигнал по синапсу. Точно так же работает и массив мемристоров: при подаче тока с промежутками в 20 мс сопротивление мемристора вдвое меньше, чем при 40-мс промежутках.

По словам Стэнли Уильямса, менее чем через три года 3D-массив мемристоров позволит размещать 20 Гбайт данных в объёме 1 см3, сравнимом с кусочком сахара. Если же использовать достаточное количество мемристоров, то теоретически возможно создать действующую модель мозга — и не просто с возможностью вычислений, но и с функцией самообучения.

Исследования в области искусственного интеллекта, а конкретнее по созданию искусственного мозга на базе мемристоров, ведутся также в Университете штата Мичиган под руководством Вея Лу. Здесь была построена модель мемристора на основе слоя из смеси серебра и кремния и вольфрамовых электродов, причём в ближайших планах учёных — создание больших схем, состоящих из тысяч таких элементов.

Уже изученные свойства мемристоров позволяют говорить о том, что на их основе можно создавать компьютеры принципиально новой архитектуры, по производительности значительно превышающие полупроводниковые. Современные компьютеры построены на базе архитектуры фон Неймана: и данные, и программы хранятся в памяти машины в двоичном коде, причём вычислительный модуль отделён от устройств хранения, а программы выполняются последовательно, одна за другой. Прогрессивная в середине прошлого столетия, такая архитектура сегодня уже не отвечает требованиям, предъявляемым к компьютерной технике: программы стали намного сложнее, а объёмы обрабатываемых данных выросли на порядки, если не в десятки порядков.

Компьютер на базе мемристоров может стать существенным шагом вперёд, поскольку он способен моделировать работу человеческого мозга, в котором нет какого-то единого центра сбора и обработки информации. Каждый блок получает, перерабатывает и передаёт в другие блоки, на мышцы, органы чувств свои массивы данных, ничтожные по сравнению со всем объёмом поступающей информации. По недавним подсчётам, чтобы построить модель коры мозга человека из современных компьютерных комплектующих, потребуется как минимум 150 000 процессоров и 144 Тбайта одной только оперативной памяти, причём речь не идёт даже об интеллекте уровня младенца.

В мемристорном компьютере параллельно и независимо друг от друга работают множество модулей, а возможность запоминать и оперировать неограниченным множеством значений от 0 до 1 означает, что исполняемые программы не ограничены двоичным кодом. Более того, станут в принципе ненужными отдельные 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 достаточно будет установить дополнительные мемристорные модули, а для ремонта — заменить вышедшие из строя.