Чтение онлайн

Именно в 2008 г. компания Hewlett-Packard (далее — HP) привлекла к себе внимание благодаря заявлению о создании мемристора [memristor] — «недостающего звена» электронной схемотехники.

Теория электронных схем до начала 1970-х гг. вращалась вокруг трёх известных фундаментальных двухполюсных элементов, известных как резистор, конденсатор и катушка индуктивности. Эти элементы отражают отношения между парами четырёх основных электрических величин: заряда, силы тока, напряжения и потока магнитной индукции.

Несложно заметить, что в списке элементов отсутствует такой, который обеспечивал бы связь между зарядом и магнитным потоком. Профессор Леон Чуа из Калифорнийского университета в Беркли в 1971 г. был первым, кто обратил внимание на это недостающее звено, предположив возможность создания четвёртого фундаментального элемента. Этот четвёртый элемент был назван мемристором (не путать с мемистором Уидроу!): от слов memory — память и resistor — резистор. Чуа показал, что переменный мемристор, по сути дела, является резистором с памятью, поскольку его сопротивление меняется в зависимости от прошедшего через него заряда.

В течение многих лет после выхода в свет пионерской работы Чуа исследователи считали, что мемристор является лишь теоретическим конструктом. Конечно, в оригинальной статье Чуа было продемонстрировано устройство, состоящее из операционных усилителей и дискретных нелинейных резисторов, но мало кто надеялся в те годы на то, что этот же принцип может быть воплощён в простом физическом элементе. Громом среди ясного неба стала публикация в Nature исследователей Hewlett-Packard под руководством Ричарда Стэнли Уильямса из лаборатории в Пало-Альто под названием «Найден пропавший мемристор» (The missing memristor found) [1667] , объявившая, что физическая модель мемристора создана. Наличие эффекта памяти было продемонстрировано в твердотельном тонкоплёночном двухполюсном устройстве [1668] , состоящем из тонкой (50 нм) плёнки диоксида титана, разделяющей два электрода толщиной 5 нм (один изготовлен из титана, второй — из платины). Плёнка диоксида титана имела два слоя, в одном из которых существовал небольшой дефицит атомов кислорода. Отсутствие атома в одном из узлов кристаллической решётки называют «вакансией», а отсутствие атома кислорода соответственно «кислородной вакансией». Кислородные вакансии действуют как носители заряда, поэтому обеднённый слой имеет меньшее сопротивление, чем необеднённый. Приложение электрического поля вызывает дрейф кислородных вакансий, что приводит к смещению границы между слоями. Это изменение можно обратить, изменив направление тока. Таким образом, сопротивление плёнки в целом зависит от заряда, прошедшего через неё в определённом направлении [1669] .

Сам по себе эффект изменения сопротивления диоксида титана был первоначально описан в 1960-е гг., однако в те годы не привлёк внимания инженеров.

Не все специалисты согласны с тем, что в 2008 г. команда исследователей HP создала именно мемристор. В конце концов, количество кислородных вакансий в плёнке ограниченно. Устройство будет работать в течение определённого времени как своеобразный «химический конденсатор», пока химическая неоднородность не будет сбалансирована, что приведёт к нарушению основного требования к подлинному мемристору, так называемого «свойства разряда без энергии» [1670] . Есть и другие претензии к «мемристору» на основе диоксида титана (как и к другим существующим устройствам, претендующим на высокое звание мемристора). Впрочем, сам создатель термина «мемристор» Леон Чуа выступил в поддержку своих коллег из HP, предложив относить к мемристорам все «двухполюсные устройства энергонезависимой памяти, основанные на изменении сопротивления <…> независимо от материала устройства и физических механизмов его действия» [1671] . Впрочем, при такой расширительной трактовке понятия к мемристорам можно отнести и мемистор Уидроу, и даже потенциометры с электромоторами, использовавшиеся Розенблаттом. Отечественные остряки из Томской группы и студенческого отделения Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике вообще предлагают называть мемристоры «пизасторами» (по первым буквам в выражении «Поток И ЗАряд», поскольку эти устройства связывают магнитный поток и заряд), а явление, лежащее в его основе, — «пизастансом»: «…гипотетическое устройство было главным образом описано как математическое развлечение. Тридцать лет спустя, старейшина Хулетт-Поцкард Стэн Уильямс и его группа работала над молекулярной электроникой, когда они стали обращать внимание на странное поведение в их устройствах. „Они делали действительно забавные вещи, и мы не могли выяснить, что это за хрень“, — говорит Уильямс. Тогда сотрудник Хулетт-Поцкард Грэг Стукач открыл вновь работу Хуа 1971 г. Уильямс вспоминает: „Он сказал: «Эй, чуваки, я не знаю, что за говно мы получили, но это то, что мы хотели»“. Уильямс потратил несколько лет, читая и перечитывая статьи Хуа. „Это были несколько лет чесания затылка и размышления об этом“. Тогда Уильямс понял, что их босхианская коллекция устройств были действительно пизасторами. Это поражало воображение до самых корней» [1672] .

По крайней мере, с последним утверждением электронщиков из Томска трудно поспорить — открытие Уильямса и его коллег поразило воображение «до самых корней».

Выход статьи в Nature спровоцировал быстрый рост интереса к данной области, и вскоре появилось множество альтернативных схем реализации мемристора. Более того, выяснилось, что некоторые из них были предложены до публикации исследователями HP своих результатов.

Рост интереса к мемристивным устройствам спровоцировал увеличение интереса к нейроморфной инженерии. Действительно, появление недорогих и компактных мемристоров могло бы серьёзно упростить сборку технических аналогов нейронов и сделать их более эффективными. Разработка подобных технологий активно ведётся в наши дни. Например, в 2018 г. одна из трёх компаний, составивших ядро программы SyNAPSE, а именно HRL, сообщила о создании искусственного нейрона, в основе которого лежат мемристоры на базе диоксида ванадия. Нейроны от HRL успешно симулируют работу известных типов биологических нейронов, что делает их одним из перспективных строительных блоков нейроморфных систем [1673] .

Программа SyNAPSE произвела на свет много интересных проектов, здесь мы ограничимся упоминанием двух из них. В 2010 г. свет увидел анимат MoNETA (MOdular Neural Exploring Traveling Agent, Модулярный нейронный исследующий путешествующий агент). Аниматами называют искусственные поведенческие модели животных, предназначенные для изучения интеллекта на примитивном уровне [1674] . Фактически аниматы — это автоматизированные агенты, действующие в виртуальном или реальном мире, своеобразные искусственные животные.

Взаимодействуя с реальным миром, анимат MoNETA учится принимать решения, направленные на увеличение вознаграждения и уклонение от опасностей. Программный «мозг» анимата создан при помощи фреймворка Cog Ex Machina (Cog), разработанного HP совместно с Бостонским университетом, и предназначен для запуска на разрабатываемых HP нейроморфных чипах на основе мемристоров [1675] , [1676] .

В ноябре 2020 г. в журнале Nature Nanotechnology была опубликована статья [1677] , сообщившая о создании инженерами Техасского университета в Остине (University of Texas at Austin, UT) самого маленького на текущий момент мемристора. В качестве основного материала в этом устройстве используется дисульфид молибдена. Не исключено, что в ближайшие годы именно этот тип мемристоров станет базовым строительным элементом новых нейроморфных устройств.

В 2014 г. IBM представила нейроморфный процессор TrueNorth, хотя и созданный без применения мемристоров, но обладающий весьма впечатляющими характеристиками.

Микросхема TrueNorth содержит 4096 вычислительных (так называемых нейросинаптических) ядер, каждое из которых обеспечивает работу 256 искусственных нейронов, что в сумме даёт чуть более миллиона нейронов. В свою очередь, каждый нейрон обладает 256 конфигурируемыми «синапсами»; таким образом, общее количество программируемых синапсов составляет чуть более 268 млн. Потребляемая мощность этого устройства, состоящего из 5,4 млрд транзисторов, составляет всего 70 милливатт [1678] .

Несмотря на столь впечатляющие показатели, создание TrueNorth стало лишь промежуточным этапом проекта. Для достижения ещё более высокой энергоэффективности было бы предпочтительно заменить цифровые синаптические веса, хранимые TrueNorth в массивах статической памяти с произвольным доступом (static random access memory, SRAM), на аналоговые устройства, способные обеспечить более высокую плотность записи за счёт представления синаптических весов в виде электрического сопротивления отдельных элементов.

Главной проблемой для инженеров из IBM было то, что к моменту начала работы над проектом не было убедительно доказано, что аналоговый подход может обеспечить ту же точность при решении задач, что и существующее программное обеспечение на обычном цифровом оборудовании. Эксперименты с обучением глубоких нейронных сетей на основе аналоговой памяти показывали более низкую точность классификации, связанную с несовершенством существовавших на тот момент аналоговых устройств.

Уже к 2018 г. исследователи успели перепробовать множество удивительных мемристивных устройств, основанных на самых разных принципах, таких, например, как резистивная оперативная память (Resistive random-access memory, ReRAM или RRAM) [1679] , [1680] , [1681] , [1682] различных типов, оперативная память с проводящим мостом (Conductive-bridging random-access memory, CBRAM) [1683] , ENOD (Electrochemical neuromorphic organic device, электрохимическое нейроморфное органическое устройство) [1684] , LISTA (lithium-ion synaptic transistor for analogue computing, литий-ионный синаптический транзистор для аналоговых вычислений) [1685] , [1686] .