Четвертый элемент

В нашем сознании революция связана с большими массами людей, совершающих штурм либо Бастилии, либо царских дворцов. В крайнем случае, с мирным стоянием на главной площади страны. Такие революции Маркс называл локомотивами истории. Трудно сказать, куда увозили людей эти локомотивы. В социальных революциях обычно проливались моря крови, им сопутствовали голод, болезни, войны. Но были, есть и будут революции тихие, не всегда заметные современникам, но от этого не менее значительные для человечества. Они сильно меняли окружающий мир, общественную жизнь, да и самого человека.

Накануне рождества 1947 г. топ-менеджеров компании Bell Telephone Laboratories пригласили на демонстрацию нового прибора, открытого примерно неделю назад. Из маленького цилиндрика отходили три провода к источнику питания, нескольким резисторам и осциллографу, на экране которого было ясно видно, как резко увеличивается подаваемый на вход демонстрируемого прибора сигнал. Один из создателей — Уолтер Браттейн — зачитал несколько строк из лабораторного журнала испытаний, после чего демонстрация была закончена. По словам очевидцев, физиономии заместителя директора по науке Ральфа Боуна и эксперта лаборатории Харви Флетчера были достаточно кислыми. Вероятно, они ожидали рассказов об огромном экономическом эффекте и сказочных перспективах, а увидели на экране всего лишь кривую усиленного электрического сигнала. Так вошло в жизнь открытие, наверное, второе по значимости после того, как за 70 лет до этого Александр Белл позвал своего ассистента через первый в мире телефон: «Мистер Уотсон, вы мне нужны».

В конце июня 1948 г. состоялась презентация публике нового прибора, получившего название транзистор (сокращение от двух слов: transfer — переносить и resistor — сопротивление). Реакция прессы была, мягко говоря, вялой. На 46-й странице газеты The New York Times от 1 июля 1948 г. в разделе «Новости радио» после известия о том, что вместо еженедельной программы «Радиотеатр» пойдет сериал «Наша мисс Брукс», была помещена короткая заметка. В ней сообщалось, что «вчера в лаборатории Белла был продемонстрирован новый прибор под названием транзистор, предназначенный для замены вакуумных трубок и ламп... Полупроводник усиливает ток, подводимый к нему по одной проволочке, а другая отводит усиленный ток». В то утро было слишком много других новостей, чтобы рождение транзистора было замечено. Начиналась блокада Берлина, разгоралась холодная война...

Примерно за 2,5 года до презентации транзистора произошло вообще малоизвестное в то время событие — в Лаборатории баллистических исследований армии США была запущена первая ЭВМ «ЭНИАК» (ENIAC, сокр. от Electronical Numerical Integrator and Calculator — Электронный числовой интегратор и вычислитель). Это было первое электронное цифровое вычислительное устройство, которое можно было перепрограммировать для решения широкого круга задач. Надо сказать, что это была не вполне ЭВМ в современном понимании этого слова, а электронный калькулятор. По тогдашней терминологии электронный арифмометр. «ЭНИАК» представлял огромное сооружение длиной 26 м, высотой 6 м и массой 27 т, имевшее почти 20 тысяч электронных ламп и потребляющее мощность 150 кВт. С ЭВМ и компьютером его роднила возможность перепрограммирования и универсальность. Так началась информационная революция, давшая нам то, без чего жизнь современного общества просто невозможна: от Интернета до мобильного телефона.

Глядя на ноутбук трудно представить, что его прародитель имел такие габариты. Точно также мало кто вспоминает, что первый мобильный телефон, по которому его изобретатель Мартин Купер 3 апреля 1973 г. позвонил своему конкуренту Джоэлю Энгелю, имел массу до 3 кг и размеры кирпича. То, что было достижением вчера, сегодня воспринимается как существенный недостаток. Да, компьютеры уменьшились в размерах, потребляют гораздо меньше электроэнергии, могут делать достаточно много. Но требования растут и простого наращивания вычислительных ресурсов уже мало. В первую очередь это касается памяти. Кто не сталкивался с весьма досадной проблемой, когда большая проделанная работа терялась из-за случайного сбоя в электропитании. Время от времени нужно, например, набранный текст записывать на твердый носитель. А нудные минуты загрузки компьютера при его включении, как и некоторое время при его выключении... О дискетах объемом 1,2 и 1,4 Мб мы уже забываем. В карманах мы носим флеш-накопители (англ, flash — вспышка), в просторечии флешки, имеющие память уже 200 Гб. А еще оптические диски. Вроде бы проблема упаковки значительных объемов информации решается, но... Флешки имеют ограниченное число циклов перезаписи. Время от времени информацию необходимо возобновлять, так как электрический заряд, на нем основана память флешки, со временем уменьшается. Оптический диск тоже сыпется. Проблема долговременного хранения информации не решается, а только отодвигается. К тому же дальнейшее увеличение емкости у этих элементов сталкивается с технологическими проблемами. Заговорили о пределах электронной микроминиатюризации и необходимости перехода к другим типам переключающих элементов: оптическим, химическим (молекулярным) и т.д. Однако там, где представлялся тупик, получен очередной прорыв в электронике.

Из школьного курса физики известно, что электрическая цепь состоит из комбинации трех элементов: сопротивления, индуктивности и емкости. Связь между током и напряжением определяется всем известным, хотя бы по названию, законом Ома. В частности, сопротивление участка электрической цепи есть отношение напряжения и тока: R=U/I. При заданной частоте переменного тока аналогичные соотношения с использованием более сложных математических представлений можно написать для индуктивности L и емкости C. Все три элемента являются пассивными, так как могут лишь рассеивать или накапливать электроэнергию, а не усиливать электрический сигнал. Важно и то, что для них не имеет значения, каким образом энергия в них накопилась или рассеялась. Другими словами, все три известных элемента электрической цепи не обладают памятью. Это обстоятельство вызвало необходимость разработки специальных устройств, способных хранить информацию на основе активных элементов, в частности, транзисторов.

Как следует из закона Ома, электрические параметры каждого из пассивных элементов электрических цепей определяются линейными соотношениями между двумя из четырех фундаментальных: силой электрического тока, напряжением, зарядом и магнитным потоком. Связь между ними наглядно иллюстрирует прямоугольник с двумя диагоналями:

Из шести возможных уравнений между величинами в вершинах прямоугольника до недавнего времени технически удавалось реализовать только пять. Устройства, напрямую связывающего заряд Q и магнитный поток Ф, не существовало.

В 1971 г. профессор кафедры электротехники и вычислительной техники Калифорнийского университета в Беркли Леон Чуа, филиппинский эмигрант китайского происхождения, такую связь установил в виде уравнений квантовой механики. Свою статью в авторитетном издании американского Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE — Institute of Electrical and Electronics Engineers) он назвал весьма интригующе: «Memristor — The Missing Circuit Element» — «Мемристор — недостающий элемент цепи». Но в то время предсказанное устройство реализовать не смогли. Решить задачу удалось только в 2008 г. группе ученых под руководством Стэнли Уильямса из исследовательского центра компании Hewlett Packard в Пало-Альто. Они получили модель устройства связывающего заряд и магнитный поток: M=Q/Ф. Учитывая однозначную связь напряжения с зарядом, а магнитного потока с током, мы фактически получаем знакомый нам закон Ома. По аналогии устройство было названо мемристором (англ. memory resistor, память+сопротивление).

Принцип действия мемристора объяснил сотрудник Уильямса, выпускник Московского физико-технического института Дмитрий Струков. Устройство представляет собой два слоя диоксида титана толщиной всего в несколько нанометров, зажатых между платиновыми электродами. Электропроводность этого полупроводника зависит от плотности свободных вакансий в его кристаллической решетке, которые могут занимать атомы кислорода. С ростом числа вакансий она увеличивается, со снижением — уменьшается. При этом сами вакансии подвижны, они могут мигрировать от одного слоя к другому. Именно это и происходит под действием электрического напряжения — вакансии смещаются туда, где их было меньше. В итоге сопротивление всех слоев меняется.

Приведенная формула для мемристора только по виду напоминает закон Ома. Индуктивность, емкость и сопротивление в его формуле при данной частоте переменного тока есть величины постоянные. В случае с мемристивностью (можно перевести как памятливость) числитель, знаменатель и частное являются переменными. Последнее обстоятельство имеет принципиальное значение, и именно оно открывает совершенно новые перспективы в разработке компьютеров и средств связи.

Во-первых, мемристор обладает свойством гистерезиса (греч. отстающий). Его реакция зависит от воздействия приложенного не только в данный момент, а и от того, что было раннее. Объясняя это свойство, Уильямс использовал гидромеханическую аналогию. Когда вода протекает по трубе в прямом направлении, ее диаметр увеличивается. Если поток остановить, то диаметр трубы останется увеличенным. При протекании воды в обратном направлении диаметр трубы уменьшается. Причем изменение диаметра может происходить скачкообразно. Мемристор таким образом реализует функцию переключательного элемента из 0 в 1 и обратно. При этом мемристор энергонезависим. Свое состояние он сохраняет при отсутствии тока.

Во-вторых, мемристор имеет только два вывода, в отличие от транзистора. Это дает возможность уменьшить соединения в микросхеме и тем самым уплотнить размещаемые в ней элементы. К тому же увеличивается надежность за счет меньшего числа соединений. По предварительным подсчетам в стандартной микросхеме можно разместить в десять раз больше элементов. И это не предел, а нижняя граница уплотнения. Классическая электроника делает существенный шаг вперед примерно каждые два года, достигнув сегодня 100-нанометрового (нм) диапазона. Это сравнимо с размером вирусов, в том числе и болезнетворных. Сегодня идет интенсивная работа, чтобы уменьшить физические размеры транзисторов до 25 нм. Однако приближается физический предел. Мемристоры имеют размер не более 3 нм. Блок из 17 штук имеет ширину всего 150 атомов, размер мемристовой дорожки менее 10 атомов.

В-третьих. Миниатюрные размеры и меньшее число соединений многократно увеличивает быстродействие. Один цикл переключения осуществляется всего лишь за одну наносекунду (нс), то есть за одну миллиардную долю секунды.

«Это не только изобретение, это — фундаментальное научное открытие», — прокомментировал Леон Чуа достижение Уильямса и его коллег. Ученый сравнил историю своего изобретения с открытием периодического закона в химии. Менделеев, расставивший элементы по строчкам и столбцам таблицы, был уверен, что пустые клетки со временем будут заполнены. И действительно, недостающие элементы были открыты в дальнейшем. То же и с мемристором, открытом «на кончике пера». Аналогично французский ученый Урбен Леверье и английский Джон Адамс теоретически предсказали существование планеты Нептун, открытой в 1846 г. немецким астрономом Иоганном Галле. Чуа считает, что появление мемристора приведет к существенному пересмотру фундаментальных принципов в электротехнике. Он поясняет, что до сих пор основополагающим считалось соотношение между напряжением и зарядом (током). Однако правильнее рассматривать соотношение между зарядом и скоростью изменения напряжения. Он сравнивает нынешнее заблуждение теоретиков с законом движения Аристотеля, который утверждал, что сила, прикладываемая к телу, должна быть пропорциональна скорости. Это положение господствовало в физике более двух тысяч лет, и только Ньютон своим вторым законом установил, что сила пропорциональна ускорению. «Я никогда не думал, что буду жить достаточно долго, чтобы увидеть мемристор», — сказал Чуа.

Каковы же перспективы применения мемристоров? Об одном весьма важном мы уже говорили. Это долговременная энергонезависимая память. Если в такой ячейке не обращается центральный процессор компьютера, то она остается «холодной». Ток через нее практически не протекает, поэтому не выделяется тепло. Следовательно, не нужно тратить энергию на его отвод. Кстати, вентиляторы, по-компьютерному — кулеры, занимают значительное место в корпусе компьютера.

Если элементы памяти энергонезависимы и имеют высокое быстродействие, то упрощается структура компьютера. Нет необходимости иметь несколько видов запоминающих устройств: долговременную на накопителе на твердом магнитном диске — винчестере и оперативную (быстродействующую). Кроме того, для ускорения операций используется так называемая кэш-память или сверхбыстродействующая (франц. cacher — прятать) — промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий информацию, которая с наибольшей вероятностью может быть запрошена быстродействующей памятью. С применением мемристоров компьютер будет иметь один вид памяти, что значительно упрощает его архитектуру и процесс обмена информацией. И самое главное. Память будет статической, то есть в отличие от винчестера в какой-то мере напоминающего патефон, только бесконтактный, не будет иметь вращающихся частей, а значит и более надежной.

Уже отмечалось, что мемристоры имеют значительно меньшие размеры. По данным разработчиков уже в скором времени на 1 кв. см можно будет разместить до 20 Гб памяти. В ближайшем будущем можно ожидать появление накопителей на мемриторах емкостью в сотни терабайт, которые не надо будет, как сейчас, охлаждать жидким азотом (минус 195,8 градусов). Широко разрекламированный интернет-планшет (iPAD — Internet Tablet) фирмы Apple имеет массу 700 г, а на мемристорах он, возможно, будет не тяжелее и не толще листа бумаги, а также обладать еще многими функциями.

Вообще привычные устройства либо исчезнут, либо приобретут совершенно иной вид. Уже сейчас ручные часы заменяет мобильный телефон. Но и он как отдельное устройство, а фактически это специализированный компьютер, исчезнет. Также как привычные телевизоры и радиоприемники. Вместо них, как и фото- и телекамер, будет одно устройство — компьютер, который возьмет на себя все их функции. Уйдут в прошлое флешки и DVD — диски.

Но и сам компьютер изменится принципиально. Не понадобятся блоки бесперебойного питания, так как память станет энергонезависимой. Соответственно, от аккумуляторов потребуется меньше энергии, поэтому уменьшатся их размеры. Исчезнет клавиатура, а компьютер будет принимать информацию прямо с голоса, станет тонким и будет сгибаться. Его можно будет носить в кармане как записную книжку.

Но это изменения, так сказать внешние. Уильямс считает, что на основе мемристоров можно создать принципиально иную разновидность логических элементов, меняющих структуру в реальном времени. Он дал им название: вентиль IMP, от англ. implement — осуществлять. Тогда компьютер будет не просто исполнять логические команды на неизменных электрических схемах, а перестраивать их для выполнения необходимых функций. Специалисты Hewlett Packard уже проводят соответствующие эксперименты.

Буквально революционные изменения, связанные с мемристорами, сказанным не ограничиваются. Мы рассмотрели только их способность запоминать информацию и работать в режиме переключения с 0 на 1 и обратно. Но этим возможности новых устройств не ограничиваются.

Мемристор может находиться во множестве состояний, переходы между которыми непрерывны. Аналоговое состояние устройства делает его похожим на синапсы нервных клеток. Синапс (греч. — соединение, связь) — особая структура, обеспечивающая передачу нервного импульса от нервного волокна на какую-либо другую нервную клетку или нервное волокно. В статье «Cortical Computing with Memristive Nanodevices» — «Мемристивные наноустройства — аналог мозговой деятельности» сотрудник лаборатории Уильямса Грег Снайдер предполагает, что мемристоры должны стать «кирпичиками», из которых будет построен искусственный интеллект.

Мемристор — только первый шаг в прорыве в электронике. Ведутся работы по созданию мемоиндуктивности и мемоемкости. Сейчас, даже трудно предположить к каким революционным изменениям в технике это приведет в самое ближайшее время.