Memristor – blíží se revoluce v paměťových systémech?

20. 5. 2015 08:00    Rubrika: Technologie    Autor: Jakub Pavlis

Memristor je čtvrtá elementární pasivní elektronická součástka – umí „něco“ dělat, ovšem její vlastnost není závislá na napájení elektrickým proudem. Ve zkratce – memristor si umí zapamatovat, jaké napětí jím protékalo i poté, co je odpojen od napájení. Nezajímá vás to? A co takové paměti, které si berou to nejlepší z DRAM i Flash? Superúsporné notebooky a mobily? Pojďme se na tuto součástku podívat blíže.

Možná si ze základoškolské fyziky pamatujete základní pasivní součástky – odpor (rezistor), kondenzátor (kapacitor) a cívku (induktor). Všechny součástky jsou založeny na vztazích mezi proudem, napětím, nábojem a magnetickým tokem. Jak vidno, máme tři součástky, ale čtyři veličiny, pokud jsou jejich vztahy symetrické, a to není těžké matematicky prokázat, měly by existovat ještě čtvrtá elementární pasivní součástka. Toho si všiml již v roce 1971 tehdejší doktorand Kalifornské univerzity v Berkeley Leon Chuy. Podle něj způsobí výroba memristoru podobnou revoluci v elektronice, jako objev tranzistoru v roce 1947. Od matematické práce k lepším mobilům ovšem vedla a povede ještě dlouhá práce.

Na memristoru je zajímavá nejedna věc – například že chování memristorových systémů bylo popsáno dlouho před tím, než se jakýkoli podařilo sestavit. Tedy vlastně – profesor Chuy „vynalezl“ memristor na základě vztahů mezi elektromagnetickými veličinami, ovšem první sestrojené memristory mají základ chemický či (hydromechanický) – a v určitém slova smyslu jsou mnohem starší, než lidstvo samo. On totiž memristor je ve výsledku, jakkoli s tím při výzkumu nijak počítáno nebylo, v podstatě kopií lidské nervové synapse. A hydromechanický model byste snadno zvládli vyrobit v domácí dílně, i když y byl větší než váš předloňský mobil. Pojďme si to představit: hydromechanický memristor je jako tryska (trubička s proměnným průsvitem) se zátkou, v níž je vrtulka. Směr proudu vody a jeho velikost určuje, kam vrtulka zátku posune, čímž se zvýší nebo sníží průměr trysky, a tedy i výsledný tlak proudu vody. A hlavně: pokud vodu vypnete, zátka zůstane na místě až do chvíle, než vodu znovu zapnete. A teď stačí zaměnit vodu za proud elektrický a představit si trubičku trochu menší – funguje totiž pouze v atomárních rozměrech, v zásadě asi do 50 nm (ano, desítek nanometrů, to je tloušťka cca 150 atomů na vodič).

My se budeme zabývat jen jeho chováním v polovodičové podobě a integrovaných obvodech. Stručně – memristor je součástka, která si pamatuje celkové napětí, které jím v minulosti procházelo. A složitěji - odpor memristoru lze jednoduše zvyšovat a snižovat proudem, který do něj teče po určitou dobu jedním nebo druhým směrem. Pokud dodávku proudu přerušíme např. vypnutím napájecího napětí, bude si součástka pamatovat poslední hodnotu odporu po teoreticky libovolnou dobu. Takže tady máme polovodič (jako různé RAM), který si pamatuje i bez proudu (jako HDD) a přitom může být neuvěřitelně rychlý. A vzhledem k minimálním velikostem se dá předpokládat i miniaturizace na něm založených pamětí (řádově desítky terabytů na velikosti dnešních micro paměťových karet).

A praktické využití? Představte si počítače (nebo třeba mobily či smartwatch) s pamětí, které je dokonale tichá, proud spotřebovává pouze při zápisu a čtení, téměř se nezahřívá a je mechanicky odolná. Navíc tak rychlá a kapacitní, že nepotřebujete úložiště typu HDD a mezistupeň k procesoru v podobě energeticky náročné RAM. Paměť, která je vždy sama v sobě „zálohovaná“ a aktuální, takže není třeba složitě bootovat. Prostě zapnete počítač a během minimální doby (prakticky okamžitě) máte spuštěný systém v podobě, jaké jste ho vypnuli. V podstatě bychom už nerozlišovali stav počítače na Zapnuto a Vypnuto, ale pouze zda máme napájený procesor, či nikoli – takže vlastně jen – dnešní terminologií – hibernovaný.

A jak jsme na tom s praktickým nasazením? Memristorovou teorii máme od sedmdesátých let, první funkční memristory vyrobili v laboratořích HP v roce 2008. Jde o nanostrukturu ze dvou 5nm platinových elektrod, mezi nimiž je dvouvrstvý vodič z oxidu titaničitého (TiO2) silný cca 50 nm, který je sám o sobě poměrně dobrým izolantem, v jedné vrstvě jsou ovšem z atomové mřížky „vyraženy“ některé atomy vodíku, Při průchodu elektrického proudu přeskočí „díry“ v krystalové mřížce na druhou vrstvu. „Zacelená“ a „děravá“ vrstva mají rozdílný elektrický odpor. Výroba je zatím samozřejmě pouze experimentální, ovšem teorie pro memristorové systémy poměrně bohatá a hlavně – je naplánováno široké praktické použití, které se navíc dá velice dobře a snadno komercionalizovat ve stávajícím systému – takže řečeno slovy nejmenovaného českého politika: Zdroje jsou.

Vedle možnosti výrazně zdokonalit stávající paměťové systémy se nabízí ještě druhá cesta vývoje. Memristory jdou samozřejmě použít jako jednoduché binární paměti (odpor v extrémních hodnotách součástky jako 0 nebo 1), ale memristor si pamatuje „spojitě“, tedy analogicky, širokou škálu hodnot. Počítá se tedy s jeho využití při modelování práce biologického mozku, a tedy také při vzniku mnohem pokročilejších umělých inteligencí, nebo tzv. analogového počítače. Nejdále jsou opět u HP s jejich přístrojem The Machine. HP do tohoto projektu, který má ovšem více revolučních vlastností, než jen memristorovou paměť (například přenos signálu mezi procesory a pamětí bude probíhat pomocí fotonů a v memristorech jsou data uložená za pomoci iontů). HP s novou architekturou zatím míří primárně na serverové systémy, jednak protože nový systém bude vyžadovat rozsáhlé úpravy software (HP vyvíjí i vlastní operační systém, byť prý The Machine bude moci pracovat i s adaptovaným BSD/Linuxem), jednak protože HP zde očekává největší marži.

Memristory před sebou mají růžovou budoucnost, tím jsem si jistý, a my si můžeme jen přát, aby rychlé paměti byly v naší elektronice co nejdříve. Ale co se dalšího využití týče, člověk aby se pomalu bál... Viděli jste Terminátora? :-)