Memristor: blízké setkání čtvrtého druhu

Revoluční tranzistor v budoucnu možná nahradí spoustu let opomíjený memristor. Umožní totiž tvorbu samoprogramovacích procesorů se stálou pamětí.

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.

Klepněte pro větší obrázek 
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.

Klepněte pro větší obrázek 

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.

Klepněte pro větší obrázek 
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.

Klepněte pro větší obrázek 
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.

Klepněte pro větší obrázek 

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?

Témata článku: Hardware, Technologie

59 komentářů

Nejnovější komentáře

  • 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


Deset tipů, jak ovládnout Google: Vyhledávejte jako mistři

Deset tipů, jak ovládnout Google: Vyhledávejte jako mistři

** Vyhledávače jsou natolik dobré, že si poradí i s frází v běžné češtině ** Pokud to ale nebude stačit, můžete vyzkoušet pokročilé funkce ** Vybrali jsme ty nejzajímavější

Včera | Jakub Čížek | 10

Pojďme programovat elektroniku: Vyzkoušíme IR, ovládneme světýlko přes Bluetooth a vyšleme zprávu na sto metrů

Pojďme programovat elektroniku: Vyzkoušíme IR, ovládneme světýlko přes Bluetooth a vyšleme zprávu na sto metrů

** Budeme odposlouchávat IR ovladač klimatizace ** Vyrobíme laciný rádiový vysílač ** Vyzkoušíme komunikaci pomocí Bluetooth a v pásmu 433 MHz

21.  9.  2016 | Jakub Čížek | 18

Nejlepší programy pro střih videa na doma: 10 video editorů, ze kterých si vyberete

Nejlepší programy pro střih videa na doma: 10 video editorů, ze kterých si vyberete

** Adobe Premiere Pro ani Final Cut se pro běžné uživatele příliš nehodí ** Programy na domácí střih většinou stojí do dvou tisíc ** V desítce nejzajímavějších najdete i 3 videoeditory dostupné zdarma

19.  9.  2016 | Stanislav Janů | 37

Vymazat se z internetu není možné, velkou část osobního obsahu však odstranit můžete

Vymazat se z internetu není možné, velkou část osobního obsahu však odstranit můžete

** Online stopy i se svým jménem zanechá většina uživatelů internetu ** Jejich smazání nikdy nebude stoprocentní ** Poradíme, jak odstranit jejich větší část

20.  9.  2016 | Stanislav Janů | 21

Jak zastavit nechtěné programy na Windows? Koukněte na Plánovač úloh

Jak zastavit nechtěné programy na Windows? Koukněte na Plánovač úloh

** V systému se mohou periodicky spouštět nechtěné aplikace ** Anebo si vyberou tu nejméně vhodnou chvíli ** Prozkoumejte Plánovač úloh na Windows

23.  9.  2016 | Jakub Čížek | 121