Memristor: blízké setkání čtvrtého druhu

Revoluční tranzistor v budoucnu možná nahradí spoustu let opomíjený memristor. Umožní totiž tvorbu samoprogramovacích procesorů se stálou pamětí.
Memristor: blízké setkání čtvrtého druhu

Drtivá většina dnešní elektroniky je tvořena základním prvkem - tranzistorem, který byl objeven již v roce 1947 týmem vědců z Bellových laboratoří, za což dostali záslužně Nobelovu cenu za fyziku. Od tohoto objevu se začala rozvíjet zcela nová technologická éra našeho druhu, která byla v listopadu roku 1971 završena prvním úspěšným mikroprocesorem Intel 4004 (2 300 tranzistorů, frekvence 750 kHz, výkon 0,07 MIPS, technologie výroby 10 000 nm). Z tranzistorů jsou tvořeny nejen procesory a čipy, ale také paměti.

Fantastická čtyřka

Základní pasivní prvky v obvodech byly celkem tři, konkrétně rezistor, cívka a kondenzátor. V roce 1971 však Leon Chua předpověděl a teoreticky (matematicky) popsal čtvrtý prvek, který nazval jako memristor (memory rezistor), přeloženo do češtiny tedy rezistor s pamětí. Dlouhou dobu pouze teoretický prvek, který však musel notně doplňovat fyzikální zákony, se však konečně podařilo vyrobit za pomocí nastupující nanotechnologie.

memristor-4.jpg 
rezistor, kondenzátor, cívka a memristor

Čtvrtý a chybějící článek s názvem memristor funguje tak, že dokáže měnit svůj odpor/vodivost dle velikosti napětí (protékajícího proudu) a po odpojení elektrické energie zůstane nastavená velikost odporu/vodivosti uložena. Stejné chování nelze realizovat za pomoci ostatních tří prvků. Tento jediný fyzický prvek tak umožňuje kdykoliv překonfigurovat stav (vlastnost) a tím umožnit změnu uspořádání celých logických obvodů. Vzhledem k analogovému chování (funkce je plynulá, spojitá) není proto divu, že se memristor chová podobně jako synapse v našem mozku, která slouží pro komunikaci mezi jednotlivými neurony (přímo se nedotýkají, synaptická štěrbina má přibližně 20 nm). Neurony si mezi sebou pomocí specifických chemických látek (neurotransmiterů) rovněž posílají elektrické signály/vzruchy s různými potenciály (+/- 70 až 90 mV). Pro zajímavost, veškeré drogy (kofein, nikotin, alkohol, kokain, heroin a další) různým způsobem ovlivňují právě tuto komunikaci a narušují tak správné fungování nervového systému.

Memristor: revoluční článek?

Jak tedy vlastně memristor funguje? Pokud si vezmeme na pomoc školní představu napětí a proudu v elektrickém obvodu a odpor jako trubku, kterou protéká voda, napětí popisuje tlak a proud pak množství vody. Standardní odpor má tedy určitý průměr „trubky“ a dle toho propustí dané množství vody. Memristor se však chová jako trubka s přenastavitelným průměrem, přičemž tento průměr lze díky různým hodnotám napětí měnit od velmi malých hodnot (chová se jako izolant) až po velké hodnoty (chová se jako vodič). Tento stav (hodnota odporu/vodivosti) lze dokonce přečíst bez ovlivnění samotného nastavení.

memristors_never_forget.jpg 

To umožní postavit nejen upravitelné analogové obvody, které budou velmi podobné mozku (velké množství stavů - synapse), ale také dodatečně upravit i pro digitální chování (pouze dva výstupní stavy 0 a 1 – funkce neuronu). Díky memristoru lze také revolučním způsobem tvořit učící se neuronové sítě, které fungují podobně jako mozek. Chování memristoru lze sice částečně napodobit několika tranzistory a odpory, výhoda je však právě v jednoduchosti a efektivnosti, kdy stejnou funkci zastane pouze jediný prvek.

Pro srovnání, běžný procesor má pevně nastavené hardwarové obvody, které podle daných vstupů generují dané výstupy. Vyšší vrstva, tedy software, zajišťuje využití těchto základních logických operací na složitější výpočty. To je ale velmi neefektivní, především k vzhledem ke konkrétním úlohám. Přesně hardwarové navržený čip na konkrétní výpočty a operace je mnohem výkonnější a má mnohem nižší spotřebu (viz například čipy pro akceleraci videa od Broadcomm).

Mozek a celá neuronová síť funguje jako hybridní propojení hardwaru a softwaru se základní součástkou – neuronem a upravitelnými synapsemi. Jednotlivé propojení a cesty je možné relativně překonfigurovat dle potřeby, zpracování konkrétních dat je tak mnohem rychlejší a efektivnější. A efektivita, to je jedním z hlavních kritérií přírody.

HP a nanotechnologický milník

Díky pokroku v nanotechnologii se v roce 2008 takřka náhodou podařilo objevit vědcům ze společnosti HP nanostrukturu z oxidu titaničitého (TiO2), která vykazuje vlastnosti memristoru. Pozdější zkoumání i jiných laboratoří tuto vlastnost jen potvrzuje a začátkem tohoto roku byly představeny první logické obvody („memristivní přepínače“) a také paměti (MCAM - Memristor-based Content Addressable Memory). Pokrok jde v tomto novém oboru velmi rychle kupředu, HP očekává uvedení paměti na bázi memristorů již v roce 2013, kapacita by měla začínat kolem 20 GB na čtvereční centimetr. Díky jednoduchému prvku bychom se měli dočkat mnohem snazšího zvyšování výkonu i kapacity, oproti flash paměti navíc podporuje neomezené množství přepisování. Samozřejmostí je uchování dat i po přerušení napájení.

large_memristor.jpg 
nanostruktura memristoru

Díky vlastnostem memristoru ho lze však využít i na tvorbu procesorů, které bude možné vylepšovat a upravovat pouhým „přenastavením“. Současně je možné na stejném čipu mít i zmíněnou funkci paměti, kde se data po odpojení elektřiny nesmažou. To by mohlo v budoucnu vytvořit zcela novou architekturu počítačů, které budou okamžitě zapnuté a budou se nacházet přesně ve stejném stavu, v jakém jste je „vypnuli“. Mnohem důležitější je ale možnost kopírování našeho nejpokročilejšího systému – mozku.

Kočičí mozek. Prozatím.

Výzkumník a počítačový inženýr Wei Lu ze Michiganské univerzity se zabývá vývojem počítače, který by používal stejný systém jako náš mozek. Po hardwarové stránce to byl donedávna velký problém kvůli tranzistorům a digitální technologii (pouze dva stavy), s příchodem memristoru se však vše mění. Prvek se chová analogově, tedy stejně jako synapse. Přesná kopie mozku a vytvoření „umělého“ stroje, který je schopen reagovat a učit se podobně jako my, je tak jen otázka času.

neuro400.jpg 
memristor vs synapse

V rámci software však již vědci z IBM dokázali simulovat kočičí mozek, který se skládal z miliardy neuronů a 10 biliard konfigurovatelných (učících se) synapsí. Tato složitá a přesná simulace kočičího mozku si vyžádala plný výkon 147 456 procesorů a 144 TB operační paměti s příkonem přes 1 MW a ve výsledku byla rychlost stále 100× až 1 000× pomalejší, než u běžného kočičího mozku z buněčného materiálu.

Simulace dokázala provádět běžné funkce neuronové sítě, tedy učila se, zapamatovávala si a podobně. Otázkou zůstává, kde začíná a končí „simulace“.

Problém malé rychlosti je jasný, software jako vyšší vrstva nad jednoduchým hardwarem je neuvěřitelné zpomalení, ještě vzhledem k digitálním procesorům. S příchodem analogového memristoru je však jen otázkou času, než tuto „simulaci“ bude možné vyrobit přímo hardwarově a docílit tak mnohem vyšší, reálné rychlosti. První jednodušší prototyp je plánován na příští rok.

blue gene.jpg 

Po tomto podařeném výzkumu dostal výzkumný tým IBM „odměnu“ ve výši 16,1 milionu dolarů od agentury pro výzkum pokročilých obranných projektů (DARPA), která spadá pod americké ministerstvo obrany. Tato agentura je zodpovědná za výzkum nových vojenských technologií a sponzoruje řadu vědeckých týmů (i zmíněné HP Labs) po celém světě. Počítačové systémy, které vycházejí z architektury mozku, podporuje v rámci iniciativy SyNAPSE (Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics).

„Nejvyšší formou dokonalosti je jednoduchost.“ Leonardo da Vinci

Pokud vám tento závěr trochu připomíná nejmenovaný sci-fi film, asi nejste jediní. Času je však ještě relativně dost. IBM plánuje „reálnou simulaci“ lidského mozku do deseti let, tedy kolem roku 2020. Ať už se tato technologie objeví dříve nebo později, jedno je jisté. Stojíme na prahu poznání sebe sama, potažmo fungování mozku a vývoje samotné mysli.

Vysoká složitost v rámci vývoje není nepředstavitelná. Kdo z vás si po 50 letech od vzniku tranzistoru dokáže představit, že pouze z tak základního prvku lze vytvořit tak složitý stroj, který je schopen přehrávat i ukládat obraz, zvuk a všechny další dnes běžné funkce, které výkonávate například na svém počítači?

Článek patří do rubrik: Hardware, Technologie

59 komentářů

Diskuze

  • gornarok , 13. 1. 2012 14:59:54
    A neni to snad pravda, že počítač je větší a složitější kalkulačka?...
  • gornarok , 13. 1. 2012 14:55:11
    Jak se píše v článku, memristor byl teoretická prvek. To, že se dočkal...
  • Zwick , 7. 1. 2012 12:09:39
    Čtu čtu.. narazím na nesmysl, který může napsat jen někdo, kdo neumí...

Určitě si přečtěte


Pokémon Go pro pokročilé: odhalte skutečný potenciál svých Pokémonů

Pokémon Go pro pokročilé: odhalte skutečný potenciál svých Pokémonů

** Ke hře Pokémon Go můžete přistoupit i více analyticky ** Za pomocí speciálního algoritmu můžete zjistit skutečný potenciál svých Pokémonů

22.  7.  2016 | Tomáš Holčík | 58

5 nástrojů, které pomohou vyhledat zapomenuté licenční klíče k softwaru

5 nástrojů, které pomohou vyhledat zapomenuté licenční klíče k softwaru

**Pokud ztratíte krabici od Windows nebo Office, lze vydolovat licenci ze systému ** Aplikace dokážou zjistit klíče až osmi tisíc programů ** Základem je schopnost uložit všechny klíče do souboru

23.  7.  2016 | Stanislav Janů | 17

Nové mapy Googlu vypadají jinak, podívejte se na rozdíly

Nové mapy Googlu vypadají jinak, podívejte se na rozdíly

** Google upravil design podkladů u své mapové služby ** Nové Mapy Googlu jsou čistší a mají dát vyniknout územním celkům a zajímavým místům ** Novinkou jsou tzv. oblasti zájmu ve městech

26.  7.  2016 | David Polesný | 38

Takhle prý vypadá budoucnost. Facebook vyslal do oblak dron, který je větší než dopravní boeing

Takhle prý vypadá budoucnost. Facebook vyslal do oblak dron, který je větší než dopravní boeing

** Google a Facebook soupeří, kdo vyvine lepší internetový dron ** Mají nabízet internet na venkově ** Facebook se nyní pochlubil letem obří Aquily

24.  7.  2016 | Jakub Čížek | 18


Aktuální číslo časopisu Computer

Testy nejnovějších produktů na českém trhu.

Informace ze světa internetu i bezpečnosti.

Plné verze programů zdarma pro všechny čtenáře.