Мемристоры: пора ли переписывать учебники?

Глядя со стороны, в это довольно сложно поверить, но история физики и электротехники сложилась таким образом, что в 2008 году — впервые со времен Фарадея и начальных опытов с электричеством на заре XIX века — ученым удалось открыть новый компонент электросхем. Причем компонент этот столь же фундаментален, как и три прежних, давно известных, — резистор, конденсатор и катушка индуктивности, — на основе которых в принципе возможна эквивалентная реализация для электронных схем любой функциональности.

Более того, даже многоопытные профессионалы, взирающие на историю прихода мемристоров в нашу жизнь как бы «изнутри» мира электроники, до сих пор озадаченно чешут затылки. И не устают поражаться все новым и новым открытиям, которые приносит с собой прежде неведомый для ученых и инженеров «четвертый элемент» электросхем...

Глядя на предмет с иной стороны, впрочем, другие — пусть и менее многочисленные — эксперты призывают коллег и публику не покупаться на рекламно-коммерческую шумиху вокруг новой технологии. А присмотревшись к ней повнимательнее, увидеть, что (а) вещь эта вовсе не новая, и (б) «никакой это не мемристор» на самом деле. Самое же интересное, что и данную позицию подкрепляют логичные доводы, опирающиеся на бесспорные факты.

Но разъяснять эти необычные расклады лучше все-таки по порядку — начиная с собственно открытия мемристора в XXI веке и его красивого предсказания в довольно далеком уже прошлом.

⇡#«Сдвиг парадигмы», или Хорошо забытое старое

В силу объективных причин (место рождения — корпорация Hewlett Packard) вся история появления и прогресса мемристоров с самого начала освещалась компьютерной прессой внимательно и с подробностями, включая и множество публикаций на сайте 3DNews. Поэтому здесь известные вещи будут упомянуты лишь совсем вкратце и с упором не на технические, а на идейно-концептуальные аспекты открытия.

В конце 1990-х годов в исследовательском центре HP Labs создали новую Лабораторию квантовых информационных систем — дабы не только идти в ногу с индустрией, стабильно уменьшающей элементы микрочипов, но и заранее иметь представление, как все это будет работать, когда лет через 15-20 базовые компоненты электронных схем уменьшатся до размеров порядка нескольких молекул.

Лабораторию возглавил опытный специалист по химической физике и нанотехнологиям Стэн Уильямс (Stan Williams), эксперименты с миниатюризацией элементов начались хорошо, но довольно скоро его сотрудники стали отмечать крайне странную, не предсказываемую теорией работу электронных узлов и цепей, уменьшенных до наномасштабов. Поиски причин оказались непростыми, однако в итоге один из сотрудников нашел-таки в архивах весьма давнюю теоретическую статью-подсказку. Которая не то чтобы объясняла происходящие в опытах казусы, но давала весьма красивую модель, сулившую постичь происходящее при надлежащей проработке концепции.

Автором той древней, аж 1971 года публикации был человек, что называется, непростой судьбы. Родившийся в 1936-м как Цай Шаотан на Филиппинах в среде этнических китайцев, выросший там же в условиях японской оккупации, лишь на рубеже 1950-60-х годов он сумел перебраться в США, где под именем Леон Чуа стал в итоге весьма известным и авторитетным ученым, профессором Калифорнийского университета в Беркли.

К 1971 году, конечно же, Чуа еще не успел стать научным авторитетом, но зато сумел весьма оригинально перенести в сугубо прикладную теорию электросхем идею о красоте математических симметрий, в ту пору уже доминировавшую в фундаментальной теории физики частиц. Подобно тому, как другим на основе выявленных симметрий микромира удавалось предсказывать, а затем и отыскивать в экспериментах новые частицы материи, Леон Чуа выявил четкую математическую симметрию в основе всех электросхем. И на этой основе предсказал существование нового, в ту пору неизвестного базового элемента. Который он назвал «мемристор», то есть резистор с памятью, и в целом описал его предполагаемые свойства.

Согласно логике Чуа, четыре базовых величины, характеризующие состояния электросхемы (заряд, ток, напряжение, магнитный поток), могут быть соотнесены друг с другом шестью возможными способами. Для двух из этих шести соотношений имеются базовые физические законы, а еще для трех существуют общеизвестные элементы электросхем: резистор, конденсатор, индуктивность. При этом одна позиция — соотносящая заряд и магнитный поток — оставалась в красивой симметричной картине ничем не занятой. Поэтому Чуа, исходя из соображений математической эстетики, предложил на вакантное место свой «мемристор».

Согласно предсказанию, радикальное отличие нового элемента от других фундаментальных кирпичиков электросхемы заключалось в том, что только гипотетический мемристор несет в себе память о своем прошлом. На практике это означало бы, что элемент действует как резистор, у которого значение сопротивления изменяется в соответствии с током, через него проходящим, причем это значение запоминается даже после того, как ток в цепи исчезает...

Поскольку оригинальная идея Чуа в 1970-е годы не нашла никакого практического применения, ее восприняли и тут же сбросили со счетов как красивую математическую фантазию, не более того. Но через тридцать лет экспериментаторы в HP Labs таки поняли, что столкнулись в своих опытах с мемристивным поведением наноэлементов.

А поняв, далее уже осмысленно начали на основе феномена создавать новаторское запоминающее устройство — как специфическую разновидность резистивной памяти RAM. Точнее, такой замечательной памяти, которая работает быстрее, чем обычная оперативная, но при этом при выключении питания запоминает свое состояние — как память внешняя. То есть компьютер с мемристорной памятью может не только потреблять в десятки раз меньше электроэнергии, но при этом еще и обходиться без перезагрузок — при выключениях/включениях всегда запоминая и возвращая свое последнее рабочее состояние...

По вполне понятным причинам среди тех известных людей мира инфотехнологий, кто был особо впечатлен не только собственно фактом открытия мемристора, но и быстрым прогрессом в его освоении, оказался и сам предсказатель четвертого элемента, профессор Леон Чуа. В комментариях для прессы он назвал новаторскую работу HP Labs «сдвигом парадигмы» и не без удовлетворения констатировал: «Что ж, теперь придется вносить изменения во все учебники электротехники».

⇡#Биологическое родство, или мозги на чипе

Еще в 2008 году, на волне первых публикаций об открытии мемристора, один из участников команды HP Labs, наш соотечественник Дмитрий Струков в одном из интервью сразу отметил, что их устройство в своей работе довольно отчетливо напоминает функционирование синапсов — то есть точек контакта между нервными клетками у живых организмов вообще и в мозге в частности.

Хотя тайны работы мозга пока что никак нельзя называть постигнутыми, специалисты предполагают, что работа нашей памяти определяется именно тем, какие нейроны мозга связаны друг с другом и насколько эти связи сильны. Соответственно, процесс запоминания трактуется как изменение силы этих связей под действием ощущений, порождающих сигналы в нейронной сети мозга.

Увидев аналогию для данных процессов в работе своего устройства, в HP Labs предположили, что можно попытаться скопировать структуру мозга, построив нейроны из транзисторов, а синапсы заменив мемристорами.

О первом ощутимом успехе на данном направлении стало известно весной 2010-го, когда в HP объявили о разработке образцов ячеек со стороной 3 нм и скоростью переключения порядка одной наносекунды. Попутно ученым удалось создать из таких элементов компактный 3D-массив на чипе, способный выполнять логические операции и работающий аналогично синапсам, то есть «сигнальным линиям между клетками нейронов в человеческом мозге».

Аналогию работы поясняют так. Скорость передачи сигнала по синапсу зависит от времени активации нейронов: чем меньше временной промежуток между активациями, тем быстрее передается сигнал по синапсу. Точно так же работает и массив мемристоров: при подаче тока с интервалами 20 мс сопротивление мемристора вдвое меньше, чем при интервалах 40 мс.

Одновременно и независимо от этих экспериментов HP, в других институтах и лабораториях развитие мемристоров пошло в несколько иных направлениях. В частности — к переносу идеи «резистора с памятью» на «конденсатор с памятью» (мем-емкость) и «индуктивность с памятью» (мем-индуктор).

Сведя все эти вещи в единую концепцию мемэлементов, Массимилиано Ди Вентра и Юрий Першин сумели выстроить модель принципиально нового вычислителя — мемкомпьютера, уже не нуждающегося в «транзисторах-нейронах», но по многим характерным чертам удивительно похожего на работу биологических систем и мозга в частности. Об этом, впрочем, имеет смысл рассказать чуть позже... А пока о другой стороне той же истории.

⇡#А было ли открытие?

Для всех, кто следит за развитием науки и технологий, давно уже не секрет, сколь важную роль в этом деле с некоторых пор стали играть так называемые связи с общественностью или, выражаясь более цинично, уловки пиара. Фактически любая научно-техническая инициатива требует сегодня значительных финансовых вложений, а потому для привлечения денег к проекту применяются самые разные трюки, вплоть до совершенно бесстыжей рекламной шумихи.

Конкретно в истории с мемристорами местом открытия оказалась корпорация-гигант Hewlett Packard, а потому неудивительно, что маховик рекламы «нового прорыва» раскрутился очень быстро и с впечатляющей мощью. За всем этим шумом, ясное дело, стало почти не слышно критических голосов от скептиков и сомневающихся. А такие люди, как известно, имеются всегда и повсюду, особенно в научной среде с ее изобилием грамотных профессионалов.

И вот что за вещи эти специалисты-оппоненты (ничуть не умаляя реальных успехов новаторов) говорят относительно идейной базы — «четвертого элемента, сделавшего теорию электросхем окончательно полной».

Прежде всего, следует отметить существенные различия между тем мемристором, который был теоретически предсказан Леоном Чуа в 1971 году и тем устройством, которое в 2008 году представили публике исследователи HP Labs. Гипотетический мемристор в теории не имеет никакой материальной памяти, а работа его основана на магнитном потоке. Однако наноконструкция, обнаруженная в HP, фактически представляет собой аналоговое запоминающее устройство, которое вообще не требует для своей работы эффектов магнетизма.

Другой существенный момент в том, что Леон Чуа, как человек, первым предложивший концепцию мемристора, предпочел не отвергать открытие HP Labs по причине очевидного несоответствия теории, а вместо этого изменил свою собственную позицию — относительно того, что представляет собой мемристор.

Как результат — теперь мемристорами именуют все, что проявляет в работе мемристивные свойства. Однако такого рода устройства и материалы были известны и описаны многими исследователями задолго до открытия HP Labs. Но только никто не называл их мемристорами — по причине несоответствия теоретической модели Чуа...

Куда более обширный и аккуратно обоснованный критический обзор ситуации вокруг всей этой истории можно найти в работе С. Вонгера «Недостающий мемристор» ("The Missing Memristor: Novel Nanotechnology or rather new Case Study for the Philosophy and Sociology of Science?" by Sascha Vongehr, Advanced Science Letters 17, pp. 285-290 (2012), arXiv:1205.6129).

Самый же главный, пожалуй, довод критиков до недавнего времени сводился к двум таким взаимосвязанным моментам. Во-первых, три прежних базовых элемента — резистор, конденсатор, индуктивность — в своем каноническом виде имеют чрезвычайно простую реализацию: шнур, пара параллельных пластин, намотанный на катушку провод. Для мемристора же такого канонического простого воплощения не найдено. И даже более того (во-вторых), никто так и не продемонстрировал «настоящий» мемристор Чуа, связывающий электрический заряд и магнитный поток...

⇡#Мемристоры вокруг нас

Начиная с 2013 года из рядов куда более многочисленного движения «мемристорных энтузиастов» стали появляться публикации, парирующие критику оппонентов — результатами новых любопытных исследований и достаточно вескими историческими аргументами.

Особого упоминания на данный счет заслуживают две работы, которые ученые из индийского исследовательского центра mLabs, Варун Аггарвал и Гаурав Ганди, подготовили в сотрудничестве с Леоном Чуа. Внимательно осмотревшись вокруг свежим взглядом, эти авторы обнаружили, что мемристоры в действительности начинали применять еще на заре радиотехники, а простейшие физические реализации этого устройства для собственных исследований может практически задаром соорудить кто угодно.

Иначе говоря, «канонический мемристор» присутствовал в электротехнике по сути изначально, но только прежде никто его так не называл. Потому что для простых и несовершенных точечных контактов пионеры радиосвязи быстро нашли удачное применение уже в первых своих приемниках, однако никому и в голову не приходило, что эти устройства работают как мемристоры.

Одна из статей индийцев, опубликованная как технический отчет их лаборатории в онлайн-библиотеке препринтов ArXiv.org, рассказывает про «когерер» — исторически самый первый детектор радиосигналов в XIX веке, поначалу представлявший собой стеклянную трубку, заполненную металлическими опилками. Функционально устройства такого типа позволяли очень резко, в сотни раз, изменять проводимость в цепи при появлении сигнала, а по сути были реализацией несовершенного контакта типа «металл — металл» — в таких ситуациях, как точечные контакты между двумя металлическими шарами, в гранулированной среде или как интерфейс металл-ртуть ("Simple metallic contacts and granular media exhibit bipolar switching" by Gaurav Gandhi and Varun Aggarwal, mLabs Technical Report MT-001, Aug 2012, arXiv:1306.0942).

Вторая статья тех же авторов посвящена другому хорошо известному устройству, которое в первых радиоприемниках пришло на смену когереру и в русском лексиконе носит название «кристаллический детектор», а в англоязычной среде известно как Cat's-whisker — «кошачий ус». Детектор этого рода представлял собой полупроводниковую пластину, в которую упирался тонкий металлический провод-«ус», фактически это был первый в истории твердотельный диод (суть устройства отображена в общепринятом изображении диода на схемах), а функционально — несовершенный точечный контакт типа «металл-полупроводник». Иначе говоря, и для этой системы теперь продемонстрировано, что она работает как мемристор. ("The first radios were made of memristors", by Gaurav Gandhi, Varun Aggarwal, Leon Chua. Circuits and Systems Magazine, IEEE 13.2: 8-16.)

После столь любопытных исторических открытий исследователи пришли к убеждению, что хотя и неявное, но повсеместное присутствие элементов с мемристивными свойствами в простых физических системах вокруг нас (в гранулированных средах, в частности) является сильнейшим указателем на фундаментальную природу мемристоров. Отсюда же, по их мнению, естественным образом извлекается и каноническое воплощение этого устройства — несовершенные точечные контакты, или, более образно, цепь гранулированного материала.

⇡#Мемкомпьютеры как побочный продукт грануляции

Итак, на сегодняшний день уже вполне ясно вот что. Опубликованное в 2008 году открытие ученых HP Labs не только помогло красиво объединить несколько разных областей — системы резистивной RAM, мемристоры и физику гранулированных сред, — но и дало начало существенно новой дисциплине в информатике, получившей название «мемкомпьютинг» ("Memcomputing: a computing paradigm to store and process information on the same physical platform" by M. Di Ventra, Y. V. Pershin. Nature Physics 9, 200-202, 2013. arXiv:1211.4487; arXiv:1304.1675).

Суть этого нового подхода, в двух словах, сводится к тому, что открытые ныне компоненты схем с памятью, или «мем-элементы» (мемристоры, мем-емкости и мем-индукторы), способны сами выполнять одновременно как обработку, так и хранение информации. В условиях такой платформы, объединяющей в своих элементах процессоры и все виды памяти, полный цикл работы с начальными, промежуточными и финальными данными происходит быстро и параллельно в одном и том же месте.

Разработчики мемкомпьютерного направления особо отмечают, что состояния мемэлементов подстраиваются под входные сигналы и обеспечивают аналоговые возможности, недоступные в стандартных элементах электроники. А это приводит к адаптивной схемотехнике, обеспечивая эффективную аналогию для массивно-параллельных вычислений.

Переформулируя то же самое чуть иначе, можно сказать, что все эти особенности новой технологии поразительно похожи на то, как функционируют живые биологические организмы. А значит, у ученых появляются новые возможности для постижения поразительной эффективности природы и создания компьютерных систем, вдохновленных биологией.

Причем обязательно надо отметить и вот еще какой важный факт. Все эти новые элементы электронной схемотехники, как выяснилось, возникают в системах естественным образом — когда технология углубляется до уровня наномасштабов и начинает работать с молекулярной, или иначе, гранулированной структурой материалов. Другими словами, мемэлементы оказываются естественным побочным продуктом непрерывной миниатюризации электронных устройств...

Конечно же, тема быстро прогрессирующего ныне мемкомпьютинга однозначно заслуживает отдельного рассказа. Ну а здесь, в заключение, осталось лишь еще раз вспомнить слова Леона Чуа, вынесенные в заголовок, — про «пора переписывать учебники». И обратить внимание на забавную вещь.

Наука, спору нет, за последние 6-7 лет узнала массу нового и важного как про мемристоры, так и про устройство компьютерных схем, работающих на уровне молекулярной структуры материалов. Но вот пришло ли уже время переписывать учебники — это большой вопрос.

Потому что «настоящий» мемристор пока что в природе так и не найден, а тайна работы сознания в мозге все еще наукой не постигнута. И не исключено, что между этими ускользающими вещами имеется самая непосредственная связь...

* * *

Дополнительное чтение:

• О постоянных сюрпризах, которые преподносит ученым физика гранулированных сред: «Бразильский орех и гравитация».
• Об очень давних и по сию пору неясных вопросах вокруг гранулированной структуры пространства-времени: «Одиссея вихревой губки».
• О признаках гранулированной структуры в устройстве памяти материи и мозга: «Главная тайна Со-знания», «Тахионный кристалл».