Мемристоры: пора ли переписывать учебники?

(Декабрь 2014)

Согласно не столь давним прогнозам для мира инфотехнологий, год 2014 должен был ознаменоваться появлением на рынке новаторских устройств памяти с принципиально иной – мемристорной – основой ячеек. И хотя прогнозы не сбылись, развитие темы мемристоров в любом случае заслуживает не только внимания, но и углубления исследований.

0_four_circuit_elmnts.600

Глядя со стороны, в это довольно сложно поверить, но история физики и электротехники сложилась таким образом, что в 2008 году – впервые со времен Фарадея и начальных опытов с электричеством на заре XIX века – ученым удалось открыть новый компонент электросхем. Причем компонент этот столь же фундаментален, как и три прежних, давно известных – резистор, конденсатор и катушка индуктивности, – на основе которых в принципе возможна эквивалентная реализация для электронных схем любой функциональности.

Более того, даже многоопытные профессионалы, взирающие на историю прихода мемристоров в нашу жизнь как бы «изнутри» мира электроники, до сих пор озадаченно чешут затылки. И не устают поражаться все новым и новым открытиям, которые приносит с собой прежде неведомый для ученых и инженеров «четвертый элемент» электросхем…

Глядя на предмет с иной стороны, впрочем, другие – пусть и менее многочисленные – эксперты призывают коллег и публику не покупаться на рекламно-коммерческую шумиху вокруг новой технологии. А присмотревшись к ней повнимательнее, увидеть, что (а) вещь эта вовсе не новая, и (б) «никакой это не мемристор» на самом деле. Самое же интересное, что и данную позицию подкрепляют логичные доводы, опирающиеся на бесспорные факты.

Но разъяснять эти необычные расклады лучше все-таки по порядку – начиная от собственно открытия мемристора в XXI веке и его красивого предсказания в довольно далеком уже прошлом.

«Сдвиг парадигмы», или хорошо забытое старое

В силу объективных причин (место рождения – корпорация Hewlett Packard), вся история появления и прогресса мемристоров с самого начала освещалась компьютерной прессой внимательно и с подробностями. Поэтому здесь известные вещи будут упомянуты лишь совсем вкратце и с упором не на технические, а на идейно-концептуальные аспекты открытия.

В конце 1990-х годов в исследовательском центре HP Labs создали новую Лабораторию квантовых информационных систем – дабы не просто идти в ногу с индустрией, стабильно уменьшающей элементы микрочипов, но и заранее иметь представление, как все это будет работать, когда лет через 15-20 базовые компоненты электронных схем уменьшатся до размеров порядка нескольких молекул.

Лабораторию возглавил опытный специалист по химической физике и нанотехнологиям Стэн Уильямс (Stan Williams), эксперименты с миниатюризацией элементов начались хорошо, но довольно скоро его сотрудники стали отмечать крайне странную, не предсказываемую теорией работу электронных узлов и цепей, уменьшенных до наномасштабов. Поиски причин оказались непростыми, однако в итоге один из сотрудников нашел-таки в архивах весьма давнюю теоретическую статью-подсказку. Которая не то чтобы объясняла происходящие в опытах казусы, но давала весьма красивую модель, сулившую постичь происходящее при надлежащей проработке концепции.

Автором той древней, аж 1971 года публикации был человек, что называется, непростой судьбы. Родившийся в 1936 как Цай Шаотан на Филиппинах в среде этнических китайцев, выросший там же в условиях японской оккупации, лишь на рубеже 1950-60-х годов он сумел перебраться в США, где под именем Леон Чуа стал в итоге весьма известным и авторитетным ученым, профессором Калифорнийского университета в Беркли.

К 1971, конечно же, Чуа еще не успел стать научным авторитетом, но зато сумел весьма оригинально перенести в сугубо прикладную теорию электросхем идею о красоте математических симметрий, в ту пору уже доминировавшую в фундаментальной теории физики частиц. Подобно тому, как другим на основе выявленных симметрий микромира удавалось предсказывать, а затем и отыскивать в экспериментах новые частицы материи, Леон Чуа выявил четкую математическую симметрию в основе всех электросхем. И на этой основе предсказал существование нового, в ту пору неизвестного базового элемента. Который он назвал «мемристор», то есть резистор с памятью, и в целом описал его предполагаемые свойства.

1_scheme-symm.600

Согласно логике Чуа, четыре базовых величины, характеризующие состояния электросхемы (заряд, ток, напряжение, магнитный поток), могут быть соотнесены друг с другом шестью возможными способами. Для двух из этих 6 соотношений имеются базовые физические законы, а еще для трех существуют общеизвестные элементы электросхем: резистор, конденсатор, индуктивность. При этом одна позиция – соотносящая заряд и магнитный поток – оставалась в красивой-симметричной картине ничем не занятой. Поэтому Чуа, исходя из соображений математической эстетики, предложил на вакантное место свой «мемристор».

Согласно предсказанию, радикальное отличие нового элемента от других фундаментальных кирпичиков электросхемы заключалось в том, что только гипотетический мемристор несет в себе память о своем прошлом. На практике это означало бы, что элемент действует как резистор, у которого значение сопротивления изменяется в соответствии с током, через него проходящим, причем это значение запоминается даже после того, как ток в цепи исчезает…

Поскольку оригинальная идея Чуа в 1970-е годы не нашла никакого практического применения, ее восприняли и тут же списали со счетов как красивую математическую фантазию, не более того. Но через тридцать лет экспериментаторы в HP Labs таки поняли, что столкнулись в своих опытах с мемристивным поведением наноэлементов.

А поняв, далее уже осмысленно начали на основе феномена создавать новаторское запоминающее устройство – как специфическую разновидность резистивной памяти RAM. Точнее, такой замечательной памяти, которая работает быстрее, чем обычная оперативная, но при этом при выключении питания запоминает свое состояние – как память внешняя. То есть компьютер с мемристорной памятью может не только потреблять в десятки раз меньше электроэнергии, но при этом еще и обходиться без перезагрузок – при выключениях/включениях всегда запоминая и возвращая свое последнее рабочее состояние…

По вполне понятным причинам, среди тех известных людей мира инфотехнологий, кто был особо впечатлен не только собственно фактом открытия мемристора, но и быстрым прогрессом в его освоении, оказался и сам предсказатель четвертого элемента, профессор Леон Чуа. В комментариях для прессы он назвал новаторскую работу HP Labs «сдвигом парадигмы» и не без удовлетворения констатировал: «Что ж, теперь придется вносить изменения во все учебники электротехники».

Биологическое родство, или мозги на чипе

Еще в 2008, на волне первых публикаций об открытии мемристора, один из участиков команды HP Labs, наш соотечественник Дмитрий Струков в одном из интервью сразу отметил, что их устройство в своей работе довольно отчетливо напоминает функционирование синапсов – то есть точек контакта между нервными клетками у живых организмов вообще и в мозге, в частности.

Хотя тайны работы мозга пока что никак нельзя называть постигнутыми, специалисты предполагают, что работа нашей памяти определяется именно тем, какие нейроны мозга связаны друг с другом и насколько эти связи сильны. Соответственно, процесс запоминания трактуется как изменение силы этих связей под действием ощущений, порождающих сигналы в нейронной сети мозга.

Увидев аналогию для данных процессов в работе своего устройства, в HP Labs предположили, что можно попытаться скопировать структуру мозга, построив нейроны из транзисторов, а синапсы заменив мемристорами.

О первом ощутимом успехе на данном направлении стало известно весной 2010, когда в HP объявили о разработке образцов ячеек со стороной 3 нм и скоростью переключения порядка одной наносекунды. Попутно ученым удалось создать из таких элементов компактный 3D-массив на чипе, способный выполнять логические операции и работающий аналогично синапсам, то есть «сигнальным линиям между клетками нейронов в человеческом мозге».

Аналогию работы поясняют так. Скорость передачи сигнала по синапсу зависит от времени активации нейронов: чем меньше временной промежуток между активациями, тем быстрее передается сигнал по синапсу. Точно так же работает и массив мемристоров: при подаче тока с интервалами 20 мс сопротивление мемристора вдвое меньше, чем при интервалах 40 мс.

Одновременно и независимо от этих экспериментов HP, в других институтах и лабораториях развитие мемристоров пошло в несколько иных направлениях. В частности – к обобщению идеи «резистора с памятью» на «конденсатор с памятью» (мем-емкость) и «индуктивность с памятью» (мем-индуктор).

Объединив все эти вещи в единую концепцию мемэлементов, Массимилиано Ди Вентра и Юрий Першин сумели выстроить модель принципиально нового вычислителя – мемкомпьютера, уже не нуждающегося в «транзисторах-нейронах», но по многим характерным чертам удивительно похожего на работу биологических систем и мозга в частности. Об этом, впрочем, имеет смысл рассказать чуть позже… А пока о другой стороне той же истории.

А было ли открытие?

Для всех, кто следит за развитием науки и технологий, давно уже не секрет, сколь важную роль в этом деле с некоторых пор стали играть так называемые «связи с общественностью» или, выражаясь более цинично, уловки пиара. Фактически любая научно-техническая инициатива требует сегодня значительных финансовых вложений, а потому для привлечения денег к проекту применяются самые разные трюки, вплоть до совершенно бесстыжей рекламной шумихи.

Конкретно в истории с мемристорами местом открытия оказалась корпорация-гигант Hewlett Packard, а потому неудивительно, что маховик рекламы «нового прорыва» раскрутился очень быстро и с впечатляющей мощью. За всем этим шумом, ясное дело, стало почти не слышно критических голосов от скептиков и сомневающихся. А такие люди, как известно, имеются всегда и повсюду, особенно в научной среде с ее изобилием грамотных профессионалов.

И вот что за вещи эти специалисты-оппоненты (ничуть не умаляя реальных успехов новаторов) говорят относительно идейной базы – «четвертого элемента, сделавшего теорию электросхем окончательно полной».

Прежде всего, следует отметить существенные различия между тем мемристором, который был теоретически предсказан Леоном Чуа в 1971 и тем устройством, которое в 2008 году представили публике исследователи HP Labs. Гипотетический мемристор в теории не имеет никакой материальной памяти, а работа его основана на магнитном потоке. Однако наноконструкция, обнаруженная в HP, фактически представляет собой аналоговое запоминающее устройство, которое вообще не требует для своей работы эффектов магнетизма.

Другой существенный момент в том, что Леон Чуа, как человек, первым предложивший концепцию мемристора, предпочел не отвергать открытие HP Labs по причине очевидного несоответствия теории, а вместо этого изменил свою собственную позицию – относительно того, что представляет собой мемристор.

Как результат – теперь мемристорами именуют все, что проявляет в работе мемристивные свойства. Однако такого рода устройства и материалы были известны и описаны многими исследователями задолго до открытия HP Labs. Но только никто не называл их мемристорами – по причине несоответствия теоретической модели Чуа…

Куда более обширный и аккуратно обоснованный критический обзор ситуации вокруг всей этой истории можно найти в работе С. Вонгера «Недостающий мемристор» («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).

Самый же главный, пожалуй, довод критиков до недавнего времени сводился к двум таким взаимосвязанным моментам. Во-первых, три прежних базовых элемента – резистор, конденсатор, индуктивность – в своем каноническом виде имеют чрезвычайно простую реализацию: провод, пара параллельных пластин, намотанный на катушку провод. Для мемристора же такого канонического простого воплощения не найдено. И даже более того (во-вторых), никто так и не продемонстрировал «настоящий» мемристор Чуа, связывающий электрический заряд и магнитный поток…

Мемристоры вокруг нас

Начиная с 2013 года из рядов куда более многочисленного движения «мемристорных энтузиастов» стали появляться публикации, парирующие критику оппонентов – результатами новых любопытных исследований и достаточно вескими историческими аргументами.

Особого упоминания на данный счет заслуживают две работы, которые ученые из индийского исследовательского центра mLabs, Варун Аггарвал и Гаурав Ганди, подготовили в сотрудничестве с Леоном Чуа. Внимательно осмотревшись вокруг свежим взглядом, эти авторы обнаружили, что мемристоры в действительности начинали применять еще на заре радиотехники, а простейшие физические реализации этого устройства для собственных исследований может практически задаром соорудить кто угодно.

Иначе говоря, «канонический мемристор» присутствовал в электротехнике по сути изначально, но только прежде никто его так не называл. Потому что для простых и несовершенных точечных контактов пионеры радиосвязи быстро нашли удачное применение уже в первых своих приемниках, однако никому и в голову не приходило, что эти устройства работают как мемристоры.

Одна из статей индийцев, опубликованная как технический отчет их лаборатории в онлайн-библиотеке препринтов ArXiv.org, рассказывает про «когерер» – исторически самый первый детектор радиосигналов в XIX веке, поначалу представлявший собой стеклянную трубку, заполненную металлическими опилками.

4_coherer.600

Функционально устройства такого типа позволяли очень резко, в сотни раз, изменять проводимость в цепи при появлении сигнала, а по сути были реализацией несовершенного контакта типа «металл-металл» – в таких ситуациях, как точечные контакты между двумя металлическими шарами, в гранулированной среде или как интерфейс металл-ртуть («Simple metallic contacts and granular media exhibit bipolar switching» by Gaurav Gandhi and Varun Aggarwal, mLabs Technical Report MT-001, Aug 2012, arXiv:1306.0942).

Вторая статья тех же авторов посвящена другому хорошо известному устройству, которое в первых радиоприемниках пришло на смену когереру и в русском лексиконе носит название «кристаллический детектор», а в англоязычной среде известно как Cat’s-whisker или «кошачий ус».

4_catwhisker.600Детектор этого рода представлял собой полупроводниковую пластину, в которую упирался тонкий металлический провод-«ус», фактически это был первый в истории твердотельный диод (суть устройства отображена в общепринятом изображении диода на схемах), а функционально – несовершенный точечный контакт типа «металл-полупроводник». Иначе говоря, и для этой системы теперь продемонстрировано, что она работает как мемристор. («The first radios were made of memristors», by Gaurav Gandhi, Varun Aggarwal, Leon Chua. Circuits and Systems Magazine, IEEE 13.2: 8-16.)

После столь любопытных исторических открытий исследователи пришли к убеждению, что хотя и неявное, но повсеместное присутствие элементов с мемристивными свойствами в простых физических системах вокруг нас (в гранулированных средах, в частности) является сильнейшим указателем на фундаментальную природу мемристоров. Отсюда же, по их мнению, естественным образом извлекается и каноническое воплощение этого устройства – несовершенные точечные контакты или, более образно, цепь гранулированного материала.

4_memristor-granular.600

Мемкомпьютеры как побочный продукт грануляции

Итак, на сегодняшний день уже вполне ясно вот что. Опубликованное в 2008 открытие ученых HP Labs не только помогло красиво объединить несколько разных областей – системы резистивной RAM, мемристоры и физику гранулированных сред, – но и дало начало существенно новой дисциплине в информатике, получившей название «мемкомпьютинг» («Memcomputing: a computing paradigm to store and process information on the same physical platform» by M. Di Ventra, Y. V. Pershin. Nature Physics 9, 200-202, 2013. arXiv:1211.4487; arXiv:1304.1675)

5_mem-elements.600

Суть этого нового подхода, в двух словах, сводится к тому, что открытые ныне компоненты схем с памятью или «мем-элементы» (мемристоры, мем-емкости и мем-индукторы) способны сами выполнять одновременно как обработку, так и хранение информации. В условиях такой платформы, объединяющей в своих элементах процессоры и все виды памяти, полный цикл работы с начальными, промежуточными и финальными данными происходит быстро и параллельно в одном и том же месте.

Разработчики мемкомпьютерного направления особо отмечают, что состояния мемэлементов подстраиваются под входные сигналы и обеспечивают аналоговые возможности, недоступные в стандартных элементах электроники. А это приводит к адаптивной схемотехнике, обеспечивая эффективную аналогию для массивно-параллельных вычислений.

Переформулируя то же самое чуть иначе, можно сказать, что все эти особенности новой технологии удивительно похожи на то, как функционируют живые биологические организмы. А значит, у ученых появляются новые возможности для постижения поразительной эффективности природы и создания компьютерных систем, вдохновленных биологией.

Причем обязательно надо отметить и вот еще какой важный факт. Все эти новые элементы электронной схемотехники, как выяснилось, возникают в системах естественным образом – когда технология углубляется до уровня наномасштабов и начинает работать с молекулярной, или иначе, гранулированной структурой материалов. Другими словами, мемэлементы оказываются естественным побочным продуктом непрерывной миниатюризации электронных устройств…

Конечно же, тема быстро прогрессирующего ныне мемкомпьютинга однозначно заслуживает своего отдельного рассказа. Ну а здесь, в заключение, осталось лишь еще раз вспомнить слова Леона Чуа, вынесенные в заголовок – про «пора переписывать учебники». И обратить внимание на забавную вещь.

Наука, спору нет, за последние 6-7 лет узнала массу нового и важного как про мемристоры, так и про устройство компьютерных схем, работающих на уровне молекулярной структуры материалов. Но вот пришло ли уже время переписывать учебники – это большой вопрос.

Потому что «настоящий» мемристор пока что в природе так и не найден, а тайна работы сознания в мозге все еще наукой не постигнута. И не исключено, что между этими ускользающими вещами имеется самая непосредственная связь…

*  *
*

Дополнительное чтение:

О постоянных сюрпризах, которые преподносит ученым физика гранулированных сред: «Бразильский орех и гравитация».

Об очень давних и по сию пору неясных вопросах вокруг гранулированной структуры пространства-времени: «Одиссея вихревой губки».

О признаках гранулированной структуры в устройстве памяти материи и мозга: «Главная тайна Со-знания», «Тахионный кристалл»,  «Дом летающих кубитов».