Nærbilde av en rekke med memristorer. (Bilde: HP)

Ny komponent kan skape lagringsrevolusjon

Tusen ganger raskere lagringsenheter er blant det HP mener kan oppnås med memristorer.

Ytelsen til dagens integrerte kretser, ikke minst prosessorer, henger nøye sammen med antallet transistorer kretsene omfatter. Dagens prosessorer inneholder gjerne flere hundre millioner transistorer.

Gordon Moore, tidligere sjef i Intel, formulerte på 1960-tallet det som senere har blitt kjent som «Moore's law», nemlig i at antallet transistorer som på en billig måte kunne plasseres i en integrert krets, vil doble seg for hvert år i den neste tiårsperioden. Loven ble senere justert, slik at doblingen i stedet ville skje over to år.

Men nå kan en oppfinnelse gjøre Moores lov foreldet. Tidligere i år laget nemlig HP et første eksemplar av det som kalles den fjerde, fundamentale, passive kretselementet, nemlig memristoren. Dette kommer i tillegg til motstanden, kondensatoren og induksjonsspolen.

Gammel teori

Memristoren ble allerede beskrevet av forskeren Leon Chua ved University of California Berkeley i 1971, men ikke før nylig har noen greid å tolke spenningskarakteristikkene man har observerte, og først i år har noen greid å lage en memristor. Dette ble gjort av HP i våres.

Memristoren, hvor navnet er en forkortelse for «memory+resistor», har en egenskap som ikke kan gjenskapes ved hjelp av noen kombinasjon av de øvrige, passive kretselementene. Den husker motstand. På engelsk kalles egenskapen for «memristance», en egenskap som virkelig kommer til syne i enheter i nanometerstørrelsen.

HP har kommet med følgende analogi for å beskrive hva en memristor egentlig er:

En vanlige analogi for en motstand er et rør som transporterer vann. Vannet er analogt med elektrisk ladning, trykket ved inngangen til røret tilsvarer spenning, og raten vannet flyter med gjennom røret tilsvarer den elektriske strømmen. Akkurat som med en elektrisk motstand, flyter vannet raskere gjennom røret dersom røret er kortere og/eller har større diameter.

En analogi for en memristor er en interessant type rør som utvider seg eller krymper når vannet renner gjennom det. Hvis vannet flyter gjennom røret i én retning, økes diameteren, noe som fører til at vannet renner fortere. Dersom vannet flyter gjennom røret den andre veien, reduseres diameteren til røret, noe som får vannet til å flyte langsommere. Hvis vanntrykket skrus helt av, vil røret beholde diameteren inntil vannet skrus på igjen. Dermed lagres ikke røret vannet, slik som en bøtte (eller kondensator), det husker hvor mye vann som fløt gjennom det.

En slik mekanisme kunne rent teknisk gjenskapes ved å bruke transistorer og kondensatorer, men dette ville ifølge HP Labs-forsker Stanley Williams kreve en mengde transistorer og kondensatorer. Med en memristor antas det at man kan lage en slik konstruksjon langt mindre. Williams leder gruppen som laget den første memristoren.

Navnet memristor forklarer på mange måter hva den kan brukes til. I første rekke snakkes det om bruk i en type ikke-flyktig RAM (Random Access Memory). Dette er en rask type minne som tar vare på dataene selv når strømmen skrus av.

Til IEEE Spectrum sa Williams tidligere i år at minne basert på memristorer kan være tusen ganger raskere enn magnetiske disker og bruke mye mindre strøm. Men HP mener memristorer også kan være en konkurrent til blant annet flashminne.

Kjent materiale

Ifølge IEEE Spectrum har Williams funnet en ideell memristor i halvlederen titandioksid (TiO2), som ofte brukes i solkrem og hvit maling.

I ren tilstand er titandioksid svært resistivt, men kan dopes med andre grunnstoffer for å bli svært ledende. I titandioksid forblir ikke doteringsstoffene stasjonære i et sterk, elektrisk felt, men har det med å drive i strømretningen. Slik drift er svært uheldig i en transistor, men det har vist seg at det er akkurat dette som får memristoren til å virke.

Ved å legge en hvilestrøm på tvers av en tynn film med titandioksid som bare er dopet på den ene siden, oppnår man at doteringsstoffene beveger seg inn i den rene titandioksiden på den andre siden og dermed reduserer motstanden. Ved å kjøre strøm i den andre retningen vil bringe doteringsstoffene på plass igjen, noe som øker titandioksidens motstand.

Bilde: HP

Materialet skal være kompatibelt med dagens anlegg for brikkeproduksjon, men HP har siden i våres jobbet med å finne ut hvordan man skal kunne integrere memristorer og silisiumkretser på samme brikke. Det ser nå ut til at man nærmer seg.

Utvikles raskt

Det nyeste fra memristorforskningen ble lagt fram under Memristor and Memristive Systems Symposium ved UC Berkeley denne uken. Ifølge EE Times kom HP der med detaljer om en prototypbrikke som stabler memristorbaserte crossbar-minneceller på toppen av en CMOS-basert logisk brikke. Det hele ble gjort av HP-forskeren Qiangfei Xia, som har laget konstruksjonen ved hjelp av litografi og en FPGA (field-programmable gate array).

- Han har bygget en integrert hybridkrets med både transistorer og memristorer, forteller Williams til EE Times. Han mener dette demonstrerer at en CMOS-fabrikk kan lage integrerte memristor/transistor-kretser i tre dimensjoner.

HP skriver på denne siden at det er tenkelig at memristorer vil kunne erstatte flashminne innen tre til fem år. Trolig vil det ta et par år til før også dagen DRAM-brikker og harddisker kan erstattes.

Programmerbar logikk

En fordel med FPGA-er, er de kan programmeres om flere ganger. Ulempene er at de normalt er betydelig dyrere, tregere og energikrevende enn vanlige kretser.

Men det nye, memristor-baserte FPGA-designet er ifølge DailyTech mer kompakt, billigere og langt mindre energikrevende. Dette betyr at de i større grad vil kunne konkurrere med dedikerte silisiumkretser.

Man kan se for seg at man vil kunne kjøpe for eksempel grafikkort og senere motta kode som omprogrammerer kretsene, slik at ytelsen forbedres og feil fjernes.

- Hvis ideene våre bærer frukter, vil denne typen FPGA-er totalt endre balansen, sier Williams til DailyTech.

Synapser

Under symposiet avduket HP-forskeren Greg Snider i tillegg en design som bruker memristorer i deres analoge modus som synapser i en neural datamaskinarkitektur. Crossbars basert på memristorer er ifølge Snider den eneste teknologien som er tettpakket nok til å simulere den menneskelige hjernen. Han sa at HP Labs' crossbars på bars har en tetthet som er ti ganger høyere enn synapsene i hjernebarken til mennesker.

Ved å stable crossbars på en logisk CMOS-brikke, kan variabel motstand ifølge EE Times etterape lærefunksjonene til synapsene i neurale nettverk.

HP Labs har sammen med Boston University nylig fått en kontrakt fra Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) om å bygge verdens første kunstige neurale nettverk basert på memristorer.

Til toppen