Pozabljeni element, ki obljublja superpomnilnik

Osrednja paradigma v računalništvu je pomnilniška hierarhija. Čim hitrejši je pomnilnik (disk, SSD, flash, RAM, predpomnilnik, procesorski registri), tem manj ga imamo, in nasprotno. Prekladanje med različnimi vrstami pomnilnika je glavno ozko grlo pri obdelavi podatkov, zato bi razvoj hitrega, velikega in obstojnega pomnilnika bistveno pospešil računalnike. Veliko obljublja elektronska komponenta s tujim imenom memristor.

Osnove elektrotehnike

Štiri osnovne količine v električnem krogu so tok (I), naboj (e), napetost (U) in magnetni pretok (Φm). Med seboj jih povezujeta definicija električnega toka (I = de/dt) in Faradayev zakon indukcije (U = –dΦm/dt). Elektrotehnika uči o treh osnovnih elementih: uporniku z upornostjo (R = dU/dI), kondenzatorju s kapaciteto (C = de/dU) in tuljavi z induktivnostjo (L = dΦm/dI). Diode in tranzistorji niso osnovni elektrotehniški elementi, temveč zgolj kombinacije zgoraj navedenih, kadar ti nimajo linearnih karakteristik. Vse te medsebojne povezave si težko predstavljamo, zato pomaga pogled na diagram (slika 1), kjer zlahka opazimo zevajočo luknjo. V naravi je simetrija lepa stvar, zato bode v oči sumljivo manjkajoč element, ki bi povezoval magnetni pretok in naboj (M = dΦm/de).

Leon Chua z Berkeleyja je leta 1971 objavil članek, v katerem je matematično obdelal manjkajoči element in ga poimenoval memristor. Zaradi lastnosti, ki se jih bomo dotaknili kasneje, se je odločil za skovanko iz besed memory resistor (pomnilniški upornik). Slovenske ustreznice še ni.

Navajeni smo razmišljati v okviru napetosti in toka, zato lahko desni del enačbe karakteristike memristorja zapišemo s časovnimi odvodi in dobimo M = (dΦm/dt) / (de/dt). Količino M imenujemo memrezistenca. Če je konstantna, preide v upornost in memristor se vede kot običajen upornik. Bistveno zanimivejše pa postane njegovo obnašanje, ko je memrezistenca odvisna od pretečenega naboja, M = M(e). Tak nelinearen element imenujemo idealni memristor. V realnosti ga ni, tako kot ni idealne tuljave izključno z induktivnostjo brez upora; vsak realen memristor bo imel vsaj nekaj klasične ohmske upornosti.

Chua je nadalje razmišljal tudi o primeru, ko bi bila memrezistenca odvisna tudi od trenutnega toka, ne le od količine pretečenega naboja (integrala toka), torej M = M(e,I). Poimenoval ga je memristorski sistem (memristive system). Predstavlja posplošitev memristorja, njegov opis pa presega okvire tega članka.

Slika 1: Osnovne količine in elektrotehniški elementi z medsebojnimi povezavami. Vir: Strukov et al. Nature 453, 80–83.

Lastnosti memristorja

Bistvena lastnost memristorja je torej, da si zapomni zgodovino dogajanja. Padec napetosti na uporniku je odvisen od trenutnega toka in ni v ničimer posledica preteklega dogajanja; sam upornik ne more nositi informacije. Kadar memrezistenca, M(e), ni konstanta, je upornost memristorja odvisna od preteklega dogajanja. Ko v idealnem enostavnem memristorju tok teče v eni smeri, upornost raste, ko obrnemo polariteto, pa pada. Posebej zanimivo pa je obnašanje memristorja, ko skozenj teče izmenični tok. Odvisnost napetosti od toka izkazuje histerezo, graf pa ima značilno obliko preščipnjene histerezne krivulje, ki poteka skozi izhodišče (slika 2). To pomeni, da izklop memristorja (padec toka na ničlo) ohrani trenutno upornost elementa. Ko ga znova vključimo, se upornost memristorja spreminja od tam, kjer je pred izklopom končala. Takih lastnosti nima noben drug elektronski element.

Memristorje je zato mogoče uporabiti za pripravo hitrega obstojnega pomnilnika. Klasični diski trajno shranjujejo podatke s spreminjanjem namagnetenosti površine, SSDji pa bite zapisujejo z elektroni, ki so ujeti v celicah, katere sestavljajo tranzistorji s plavajočimi vrati (FGMOS). Memristor lahko podatke shrani kot upornost, ki jo spreminjajo s tokom skozenj.

Slika 2: Lissajousove krivulje karakteristik osnovnih elektrotehniških elementov.

HPjevo odkritje

Leta 2008 so v laboratorijih Hewlett-Packarda izdelali prvi memristorju zelo podoben element (slika 3). Tanek film iz titanovega dioksida debeline D so stisnili med elektrodi. Eno polovico materiala so močno dopirali, da je imela visoko koncentracijo vrzeli in nizko upornost (RON), druge polovice pa skoraj niso, zato je njena upornost višja (ROFF). Če teče skozenj tok v eni smeri, vrzeli difundirajo v nedopirano plast in upornost pada. Ko teče tok v nasprotni smeri, vrzeli potisnemo v dopirano plast in upornost se zveča. Ugotovili so, da tako obnašanje ustreza memristorju, in sicer je njegova memrezistenca odvisna od debeline polprevodniške plasti, mobilnosti nosilcev naboja in pretečenega naboja. Še več, trdijo, da so memristorje drugi raziskovalci srečevali že desetletja pred tem, a čudnih histereznih krivulj odvisnosti toka od napetosti niso znali pojasniti, na memristorje pa nihče ni pomislil.

V HP so napovedali, da bodo z memristorji kmalu bistveno spremenili način shranjevanja podatkov. Zapis in branje podatkov v novem pomnilniku bi bila bistveno hitrejša in primerljiva z modernim RAMom, gostote zapisa pa do stokrat višje kot v flashu. Komercialno uporabo so napovedovali za leto 2012, pa potem za 2014 in sedaj za 2018.

Slika 3: Memristorji iz HPja pod elektronskim mikroskopom.

Prihodnost

Zelo hiter, obstojen in dovolj poceni pomnilnik bi odpravil ali pa vsaj zelo poenostavil hierarhijo pomnilnika. Z nje ne bi le odpadla potreba po kompromisnem ločevanju pomnilnika na vrste, temveč bi se spremenila celotna logika računalništva, saj ne bi več imeli neobstojnega pomnilnika, kot je RAM.

Pot do tja bo še dolga. HP se je kmalu po objavi odkritja memristorja znašel pod ploho kritik, da so odkritje napihnili prek meja okusnega in da v resnici pravega memristorja sploh nimajo. Zlasti so kritizirali model mobilnosti ionov, ki da ni bil v skladu s fiziko in  krši Landauerjevo načelo (da za izbris enega bita informacije potrebujemo vsaj kBT ln 2 energije). Kritike so bile nekoliko upravičene, saj se njihova stvaritev ne vede kot klasični memristor. Kljub temu ima ustrezne lastnosti, da jo lahko uporabimo za shranjevanje podatkov.

Prve delujoče komercialne primerke pomnilnika z memristorji naj bi dobili leta 2016. Dve leti pozneje napovedujejo 100 TB diske z memristorji, do konca desetletja pa želijo podreti mejo petabajta. In na koncu naj bi po letu 2020 izdali The Machine – revolucionaren računalnik, ki bo podatke shranjeval v memristorjih, za komunikacijo med deli pa bo uporabljal fotone namesto elektronov (silicon-to-optic). Držimo pesti.