Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 10 – vyšlo 7. března, ročník 12 (2014)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

10/2014
Hledej

Komerční využití memristoru

Lukáš Karas

O memristorech jsme naposledy psali před pěti lety (AB 2/2009), v době, kdy byla publikována zpráva o první realizaci této součástky. Memristoru tehdy mnozí věštili zářivou budoucnost v mnoha aplikacích. Jak vypadá situace dnes? Výzkumníci uplynulých pět let rozhodně neprospali. Počítače, který by simuloval pomocí memristoru ukládání informací v neuronech, jsme se zatím nedočkali. Na memristorech založený disk, na který bychom si uložili soukromé fotografie, si v obchodě zatím také nekoupíme. Dle marketingových prohlášení různých firem ale přesně takové disky budou na trhu „již brzy“. Mezitím Panasonic uvedl první generaci mikropočítačů s ReRAM pamětí, která dosahuje slibných parametrů. Oproti současné generaci flash pamětí má především zvýšenou životnost (přepisovacích cyklů) a uspoří energii při zápisu…

Memristor

První realizace memristoru vyrobená v laboratořích IBM. Snímek je pořízen
mikroskopem atomárních sil. Zdroj: IBM.

Memristor – čtvrtá základní elektrotechnická součástka (po odporu, cívce a kondenzátoru). Měla by realizovat vztah mezi nábojem a magnetickým indukčním tokem. Teoreticky ji předpověděl Leon Chua v roce 1971. Realizace je pravděpodobná ve druhém desetiletí 21. století. Magnetický odpor součástky není konstantní, ale závisí na historii procházejícího náboje.

ReRAM – rezistivní paměť RAM, která uchovává uloženou informaci i po odpojení od zdroje energie. Tato paměť by měla vykazovat hysterezi v odporu, tj. uchovávat hodnotu elektrického odporu. V současnosti (2014) je vyvíjena více společnostmi (Rambus, Panasonic, Crossbar), je založena na perovskitech, oxidech kovů, oxidu křemíku nebo chalkogenitech. Paměť tohoto typu se chová jako memristor, čtvrtá základní elektrotechnická součástka.

CMOS – Complementary Metal Oxid Semiconductor, technologie, která využívá tranzistorů MOSFET obou typů vodivosti (NMOS a PMOS). CMOS technologií se v současnosti vyrábí většina elektronických integrovaných obvodů včetně procesorů, pamětí a v posledních letech také obrazové senzory digitálních fotoaparátů (alternativa k CCD). CMOS součástky vynikají nízkou spotřebou a vysokou hustotou integrace. Technologie samotná je poměrně laciná a dobře technologicky zvládnutá.

Binární násobky – ve výpočetní technice se z technických důvodů používají paměti o velikostech rovných násobkům dvou. Při označování velikostí se vžily předpony používané v SI (kilo, mega, giga, tera). Ty však v tomto kontextu nejsou dekadické. Pro rozlišení v textu by se názvy měly správně doplňovat o malé písmeno i a psát jako kibi (KiB, 210), mebi (MiB, 220), gibi (GiB, 230) a tebi (TiB, 240). V praxi to ale dělá málokdo.

Historie

První zmínku o memristoru lze nalézt v práci Leon Ong Chua z roku 1971, ve které memristor představil jako čtvrtou základní elektrotechnickou součástku – spolu s již známým odporem, kondenzátorem a cívkou (rezistorem, kapacitorem a induktorem). Chua, v té době profesor na Kalifornské univerzitě v Berkeley, se zabýval symetrií základních veličin v elektrických obvodech. Memristor realizuje vztah magnetického toku a náboje, který nelze vytvořit kombinací zbývajících třech základních součástek. V sedmdesátých letech byl memristor pouze hypotetickou součástkou. Aby mohl Chua změřit jeho základní parametry a otestovat jeho chování, musel sestrojit náhradní zapojení z aktivních prvků (součástky potřebující ke své činnosti externí napájení) v kombinaci s nelineárním odporem.

M-R mutator dle Leon O. Chua.

M-R mutator dle Leon O. Chua. Náhradní zapojení, na kterém byly změřeny
parametry tehdy ještě hypotetického memristoru. Zdroj: L. O. Chua.

V roce 2008 si výzkumníci z IBM laboratoří všimli trvalé hystereze vodivosti projevující se v nanovrstvách (s tloušťkou 50 nm) TiO2 složených ze dvou oblastí – dotované (s nízkým odporem) a nedotované (s vysokým odporem). Tento jev byl na různých materiálech pozorován již dříve, v IBM si ale jako první uvědomili, že realizovali memristor. Magnetický tok je v této nanostruktuře indukován pohybem náboje (v tomto případě volných elektronů kyslíku), tak jak předpověděl ve své práci profesor Chua.

Paměti v architekturách současných počítačů

Až čas ukáže, jaké budou aplikace memristoru. Vzhledem ke kompatibilitě se současnými výrobními procesy v mikroelektronice a vzhledem k paměťovému efektu se memristor přímo nabízí k použití v nejrůznějších pamětích. Pokud nebudeme brát v úvahu záznam na magnetická či optická média, obsahují současné počítače z pohledu konstrukce tři základní typy pamětí:

  • SRAM (statická paměť RAM) – buňka této paměti bývá složena ze šesti tranzistorů, které jsou trvale napájeny. Používá se ke konstrukci vyrovnávacích pamětí uvnitř procesorů či jiných komponent počítačů. Dosahuje velkých rychlostí čtení i zápisu. Její provoz je ale energeticky náročný a jediná buňka zabírá na čipu poměrně hodně místa. Buňka SRAM paměti

    Buňka SRAM paměti. Zdroj: Ulrich Drepper.

  • DRAM (dynamicky obnovovaná paměť RAM) – buňka DRAM paměti se skládá pouze z tranzistoru a kondenzátoru, ve kterém je uložena informace (je buď nabitý či vybitý). V počítačích se využívá především jako hlavní pracovní paměť. Náboj v kondenzátoru se přes jeho vnitřní odpor vybíjí, informaci je tedy potřeba v určitých cyklech přečíst a znova zapsat (přibližně každých 60 ms). Reálně se jako kondenzátor využívá parazitní kapacita samotného tranzistoru, výsledná paměťová buňka je tedy poměrně jednoduchá a na jednotku plochy čipu se jich vejde mnohem více než u SRAM. Buňka DRAM paměti

    Buňka DRAM paměti. Zdroj: Ulrich Drepper.

  • Flash (trvalá paměť) – flash paměti jsou základním stavebním prvkem SSD disků, paměťových karet a úložišť v přenosných zařízeních. Využívají se tranzistory s plovoucím hradlem, kde jsou přivedené elektrony takzvaně uvězněny. Proud tranzistorem je ovlivněn elektrostatickým polem těchto „uvězněných“ elektronů. Mazání uložené informace probíhá přivedením vysokého napětí na řídící elektrodu (G), kdy jsou elektrony z plovoucího hradla „vypuzeny“ kvantovým tunelem. Mazání bloků flash pamětí je energeticky náročné a poměrně zdlouhavé. Časem dochází k degradaci dielektrika oddělujícího plovoucí hradlo, každá buňka má životnost pouze několika desítek tisíc přepisovacích cyklů. Řadiče flash pamětí musí s tímto faktem počítat, používat samoopravné kódování a vyvažovat opotřebení rovnoměrně mezi bloky. Buňka FLASH paměti

    Buňka FLASH paměti. Zdroj: Wikipedie.

Mikroprocesor MN101L* firmy Panasonic

Panasonic začal jako první vyrábět a především prodávat mikroprocesor s ReRAMReRAM – rezistivní paměť RAM, která uchovává uloženou informaci i po odpojení od zdroje energie. Tato paměť by měla vykazovat hysterezi v odporu, tj. uchovávat hodnotu elektrického odporu. V současnosti (2014) je vyvíjena více společnostmi (Rambus, Panasonic, Crossbar), je založena na perovskitech, oxidech kovů, oxidu křemíku nebo chalkogenitech. Paměť tohoto typu se chová jako memristor, čtvrtá základní elektrotechnická součástka. pamětí. Ta v procesoru zastává roli trvalé paměti a nahrazuje tak flash paměť. Jedná se „pouze“ o osmibitový mikroprocesor s 16 bitovým adresováním a taktováním kolem 10 MHz. Obsahuje 4 KiBBinární násobky – ve výpočetní technice se z technických důvodů používají paměti o velikostech rovných násobkům dvou. Při označování velikostí se vžily předpony používané v SI (kilo, mega, giga, tera). Ty však v tomto kontextu nejsou dekadické. Pro rozlišení v textu by se názvy měly správně doplňovat o malé písmeno i a psát jako kibi (KiB, 210), mebi (MiB, 220), gibi (GiB, 230) a tebi (TiB, 240). V praxi to ale dělá málokdo. RAM paměti a 64 KiB ReRAM paměti pro uložení programu i dat. Panasonic slibuje u procesoru MN101L možnost až 100 tisíc přepisovacích cyklů (u flash pamětí pouze 10 tisíc), přepis dat během 10 ns (1/5 času u flash paměti) a z toho plynoucí 50 % úspory energie (procesor může delší dobu spát). Čip je vyráběn 180 nm CMOSCMOS – Complementary Metal Oxid Semiconductor, technologie, která využívá tranzistorů MOSFET obou typů vodivosti (NMOS a PMOS). CMOS technologií se v současnosti vyrábí většina elektronických integrovaných obvodů včetně procesorů, pamětí a v posledních letech také obrazové senzory digitálních fotoaparátů (alternativa k CCD). CMOS součástky vynikají nízkou spotřebou a vysokou hustotou integrace. Technologie samotná je poměrně laciná a dobře technologicky zvládnutá. procesem, doba udržení dat v ReRAM paměti je odhadována minimálně na 10 let (dle dokumentace, marketingové materiály uvádějí 100 let).

Tento mikroprocesor Panasonic je určen pro aplikace, kde je nedostatek energie k napájení. Například drobná zařízení napájená baterií, nebo Peltierovým článkem.

Dostupné materiály bohužel neobsahují obvodové schéma řadiče ReRAM paměti. Lze tak jen odhadovat, jak vývojáři vyřešili, aby proud potřebný pro čtení paměťové buňky nezměnil uloženou informaci. Jak ale ukazuje výzkum týmu Meng-Fan Chang z National Tsing Hua University na Taiwanu, pokud je napětí na memristoru menší než 300 mV, jeho hodnota se protékajícím proudem nemění. Řadič paměti pak ale musí pracovat s nízkým proudem, čtení informace je pomalejší (vzhledem k parazitním kapacitám) a je potřeba získat přesné referenční napětí pro komparátor.

Snímek paměťové buňky v mikroprocesoru řady MN101L

Snímek paměťové buňky v mikroprocesoru řady MN101L. Vyroben je standardním
180 nm CMOS procesem. Jako základ memristoru je použit oxid tantalu.
Zdroj: Panasonic

Švýcarský návrh trvalé SRAM paměti

Programy vestavěných systémů jsou většinou navrženy tak, že se snaží držet procesor co nejdéle ve stavu spánku. Pokud přijde nějaká zajímavá událost (přerušení od časovače, změna napětí na vstupu), je procesor probuzen, program událost zpracuje a procesor opět uspí. Tím je dosahováno co nejnižší spotřeby. Pokud ale úloha vyžaduje udržovat nějaký stav, je potřeba během doby spánku ponechat napájenou RAM paměť, nebo tento stav uložit do trvalé paměti. Záleží samozřejmě na konkrétní aplikaci, ale často není jiná možnost než RAM ponechat zapnutou. To je samozřejmě i mnohem pohodlnější pro programátora.

Právě s touto motivací byl veden výzkum na univerzitě Lausanne ve Švýcarsku. Výsledkem je klopný obvod pamatující si svůj stav i po odpojení napájení. Čip vyrobili 100 nm CMOS technologií, memristory vytvořili z TiO2. Čas potřebný pro zapsání hodnoty do memristoru je 10 ns. S použitím RAM paměti složené z takovýchto klopných obvodů by hypotetický procesor dosahoval úspory energie, pokud by prodlevy v nečinnosti (kdy by byla RAM paměť vypnutá) byly delší než 1,47 s.

Zapojení trvalého klopného obvodu

Zapojení trvalého klopného obvodu. Informace je v čase bez napájení
uložena do memristoru. Zdroj: Ibrahim Kazi a kol.

Závěr

Můžeme jen hádat, zda někdy budeme ukládat do ReRAM pamětí data v osobních počítačích. Společnost Elpida (nyní Micron) v roce 2012 oznámila, že má k dispozici testovací vzorek o kapacitě 8 MiBBinární násobky – ve výpočetní technice se z technických důvodů používají paměti o velikostech rovných násobkům dvou. Při označování velikostí se vžily předpony používané v SI (kilo, mega, giga, tera). Ty však v tomto kontextu nejsou dekadické. Pro rozlišení v textu by se názvy měly správně doplňovat o malé písmeno i a psát jako kibi (KiB, 210), mebi (MiB, 220), gibi (GiB, 230) a tebi (TiB, 240). V praxi to ale dělá málokdo. (64 megabitů) a pracuje na vývoji čipu o kapacitě 128 MiBBinární násobky – ve výpočetní technice se z technických důvodů používají paměti o velikostech rovných násobkům dvou. Při označování velikostí se vžily předpony používané v SI (kilo, mega, giga, tera). Ty však v tomto kontextu nejsou dekadické. Pro rozlišení v textu by se názvy měly správně doplňovat o malé písmeno i a psát jako kibi (KiB, 210), mebi (MiB, 220), gibi (GiB, 230) a tebi (TiB, 240). V praxi to ale dělá málokdo.. Taková kapacita je jistě zajímavá z pohledu vestavěných zařízení. Proti současným SSD diskům založených na flash pamětích se ale stále jedná o kapacitu nižší o tři řády. Vývoj samozřejmě probíhá na mnoha frontách. Jednou z cest k rychlejším pamětím s větší životností je použití grafenu jako materiálu plovoucího hradla v buňkách flash pamětí. Pro smazání takové buňky je potřeba menší napětí než u současných řešení. To jsme ale trochu odbočili od memristorů.

Odkazy

  1. L. Chua: Memristor – The Missing Circuit Element; IEEE Transactions on Circuit Theory, Sept. 1971. (PDF)
  2. B. Dmitri et al.: The missing memristor found; Nature Letters 453 (2008) 80–83. (PDF)
  3. Ella Gale: Missing Memristor Magnetic Flux Found; Dec. 2013 (PDF)
  4. Ulrich Drepper: What Every Programmer Should Know About Memory; Nov. 2007 (PDF)
  5. Wikipedie: Flash paměť; 2014
  6. Panasonic: Panasonic Starts World's First Mass Production of ReRAM Mounted Microcomputers; Jul. 2013
  7. Panasonic: MN101LR05D/04D/03D/02D LSI User’s Manual; Oct. 2013 (PDF)
  8. Panasonic: Microcomputer Catalog (MN101, MN103 Series); Apr. 2013 (PDF)
  9. Meng-Fan Chang et al.: A High-Speed 7.2-ns Read-Write Random Access 4-Mb Embedded Resistive RAM (ReRAM) Macro Using Process-Variation-Tolerant Current-Mode Read Schemes; March. 2013
  10. Ibrahim Kazi at al.: A ReRAM-Based Non-Volatile Flip-Flop with Sub-VT Read and CMOS Voltage-Compatible Write; June 2013 (PDF)
  11. Markus Mandau: Zázračný materiál grafen; Aug. 2013 (PDF)
  12. Jyunichi Oshita: Elpida Announces 64Mb ReRAM, Sees 8Gb Product in 2013; Jan. 2012

Valid HTML 5Valid CSS

Aldebaran Homepage