Znajdź zawartość

Naukowcy z Austrii i Włoch stworzyli „kwantowy memrystor”, urządzenie zdolne do przekazywania koherentnej informacji kwantowej w postaci superpozycji pojedynczych fotonów. Urządzenie takie może stać się podstawą do stworzenia kwantowej wersji architektury neuromorficznej, której działanie ma naśladować pracę ludzkiego mózgu. Memrystor, to czwarty podstawowy typ elementu elektronicznego. Od dawna znaliśmy opornik, kondensator i cewkę. W 1971 roku profesor Leon Chua z Kalifornii wysunął hipotezę, że może istnieć czwarty element, który nazwał opornikiem pamięci czyli memrystorem. Urządzenie takie powstało niemal 40 lat później, w 2008 roku. Memrystory szybko okazały się bardziej przydatne, niż sądzono, a przed dwoma laty wykorzystano je do zbudowania urządzenia działającego podobnie jak neuron. Badania  nad tym elementem elektronicznym ciągle trwają, a najnowszym osiągnięciem jest połączenie go z technologią kwantową. Memrystor współpracujący ze stanami kwantowymi i przekazujące kwantowe informacje został zbudowany przez uczonych z Uniwersytetu Wiedeńskiego, Politechniki Mediolańskiej i włoskiej Narodowej Rady Badawczej. Stworzono go za pomocą femtosekundowego lasera emitującego krótkie impulsy światła trwające zaledwie 10-15 sekundy. Za pomocą tych impulsów naukowcy rzeźbili w szkle falowody, kanały zdolne do więzienia lub przesyłania światła. Michele Spagnolo i jego zespół wykorzystali falowody do przesyłania pojedynczych fotonów. Dzięki ich kwantowej naturze znajdujące się w superpozycji fotony można było w tym samym czasie wysyłać przez dwa lub więcej falowodów. Za pomocą bardzo zaawansowanych wykrywaczy pojedynczych fotonów mogliśmy dokonywać pomiaru fotonu w jednym z falowodów, a następnie wykorzystać ten pomiar do kontrolowania urządzenia modulując transmisję w innym falowodzie. W ten sposób nasze urządzenie zachowywało się jak memrystor, wyjaśnia Michele Spagnolo. Oprócz uzyskania w ten sposób zachowania typowego dla memrystora, naukowcy – za pomocą symulacji – wykazali, że sieć optyczna zawierająca kwantowe memrystory będzie zdolna do nauki rozwiązywania problemów zarówno w sposób klasyczny, jak i kwantowy. To zaś wskazuje, że kwantowy memrystor może być tym elementem, który połączy sztuczną inteligencję i komputery kwantowe. Klasyczne memrystory są obecnie używane w badaniach nad komputerowymi platformami neuromorficznymi. Dlatego też włosko-austriacki zespół sądzi, że kwantowy memrystor może przyczynić się do powstania kwantowych sieci neuromorficznych. Uwolnienie pełnego potencjału możliwości sztucznej inteligencji zbudowanej na systemach kwantowych to jedno z najważniejszych obecnie wyzwań fizyki kwantowej i informatyki, dodaje Spagnolo. Uczony dodaje, że jego grupa już rozpoczęła prace nad odpowiednim urządzeniem. Jej pierwszym celem jest stworzenie urządzenia składającego się z kilkunastu kwantowych memrystorów operującego na kilkunastu fotonach. To poważne wyzwanie technologiczne, przyznaje naukowiec. « powrót do artykułu

Jedną z przyczyn, dla której nie udało się dotychczas stworzyć maszyny o możliwościach obliczeniowych mózgu jest brak urządzenia, które działałoby jak neuron. Jednak dzień powstania sztucznego mózgu właśnie znacznie się przybliżył. Troje naukowców poinformowało na łamach Nature o stworzeniu pojedynczego urządzenia zachowującego się jak neuron. W reakcji na przyłożenie prądu stałego urządzenie reaguje podobnie jak neuron: pojawiają się w nim serie wyładowań, samopodtrzymujące się oscylacje i inne procesy, które możemy obserwować w mózgu. Urządzenie łączy w sobie funkcje opornika, kondensatora i memrystora Motta. Memrystory to urządzenia, które przechowują dane w postaci pamięci o oporze. Memrystory Motta mają dodatkową możliwość zapamiętania zmian w oporności powodowanych temperaturą. Dzieje się tak, gdyż materiały, z których zbudowany jest memrystor Motta są izolatorami lub przewodnikami w zależności od temperatury. Do zmian takich dochodzi z nanoskalowej warstwie ditlenku niobu. Po przyłożeniu napięcia NbO2 rozgrzewa się, zmieniając właściwości z izolujący w przewodzące. Po takiej zmianie prąd może przepłynąć przez urządzenia. Następnie urządzenie się chłodzi, a ditlenek niobu staje się ponownie izolatorem. W efekcie takich działań pojawia się wyładowanie podobne do tego, obserwowanego w neuronach. Przez pięć lat nad tym pracowaliśmy. W małym nanoskalowym kawałku materiału dzieje się bardzo wiele, mówi jeden z autorów badań, R. Stanley Williams z Texas A&M University. Drugi z autorów badań, Suhas Kumar z Hewlett Packard Laboratories, przypomina, że wynalazca memrystora, Leon Chua, przewidywał, iż w urządzeniu tym pomiędzy dwoma stabilnymi regionami znajduje się region chaotycznych zjawisk. Na krawędzi takiego regionu urządzenie może zaś wykazywać zachowania podobne do zachowań neuronów. Uzyskanie odpowiednich zjawisk nie jest jednak łatwe. Williams chwali Kumara za wysiłek, jaki włożył w to, by precyzyjnie dobrać parametry pracy urządzenia. Tego się nie odkrywa przypadkiem. Wszystkie parametry muszą być perfekcyjnie dobrane zanim zauważysz zjawiska, których poszukujesz. Gdy już jednak uda się tego dokonać okazuje się, że całość pracuje bardzo stabilnie i łatwo jest to powielać, stwierdza uczony. Naukowcy przetestowali swoje urządzenie budując z nich bramki logiczne NAND i NOR oraz niewielki analogowy obwód optymizujący pracę całości. Naukowcy przyznają, że potrzeba jeszcze wiele pracy, by całość zmienić w praktyczne urządzenie i skalować je tak, by mogły z nich powstać systemy zdolne do rzucenia wyzwania współczesnym komputerom. Kumar i Williams mają zamiar poszukać innych materiałów, nadających się do budowy sztucznego neuronu. Przemiany zachodzące w NbO2 mają bowiem miejsce w temperaturze 800 stopni Celsjusza. Można ją osiągnąć w warstwach o grubości liczonej w nanometrach. Jednak przeskalowanie całości na miliony takich neuronów i uzyskanie podobniej wydajności może być problemem. Stąd m.in. potrzeba znalezienia innego materiału. « powrót do artykułu

Już w 2013 roku do sklepów mają trafić pierwsze chipy zbudowane na memrystorach. Zastąpią one układy flash i wyznaczą początek rewolucji na rynku układów pamięci. Stan Williams z HP, współtwórca memrystora, występując podczas International Electronic Forum 2011 stwierdził, że w ciągu 18 miesięcy jego firma rozpocznie sprzedaż kości, które zastąpią flash. Na tym jednak nie koniec. Być może w 2014, a na pewno w 2015 stworzymy konkurencję dla DRAM, a później zastąpimy SRAM - powiedział Williams. O zastąpieniu flasha już zdecydowaliśmy. Teraz pracujemy nad DRAM i sądzimy, że nowe układy będą zużywały na każdy bit o dwa rzędy wielkości mniej energii potrzebnej do przełączania układu - dodał. Opracowana przez HP technologia pozwala na umieszczenie układu pamięci bezpośrednio na procesorze. Dzięki temu dane w ogóle nie opuszczają układu scalonego. To oznacza, że otrzymujemy poprawę szybkości działania odpowiadającą 20 latom obowiązywania Prawa Moore'a - stwierdził Williams. Dodał przy tym, że możliwe jest umieszczanie dowolnej liczby warstw podzespołów o grubości 5 nanometrów każda. W jednej takiej warstwie może znaleźć się nawet 500 miliardów memrystorów. Przedstawiciel HP zapowiada wielkie zmiany na rynku. Jesteśmy największym na świecie kupcem pamięci DRAM i drugim co do wielkości nabywcą układów flash. Chcemy całkowicie przeorganizować nasz łańcuch dostaw. Mamy zamiar licencjonować naszą technologię każdemu chętnemu. Jednak trzeba będzie poczekać w kolejce. Bardzo wiele osób jest tym zainteresowanych. Zdecydowaliśmy się na taki krok, gdyż, szczerze mówiąc, nie widzimy zbyt wielu innowacji na tym rynku - zapowiedział. Memrystor zwany jest inaczej opornikiem pamięci. Zapamiętuje on skąd i ile informacji przepływa, sam usprawnia swoje działanie tak, by przepływ był jak najbardziej wydajny. Potrafi też zmieniać oporność w zależności od wartości i kierunku przyłożonego napięcia. Zapamiętuje również oporność po odłączeniu zasilania. Dzięki tym właściwościom pojedynczy memrystor może działać jak wiele (od 7 do 12) tranzystorów, pozwoli też na skonstruowanie mniejszej, tańszej, szybszej i bardziej energooszczędnej pamięci flash. Niewykluczone, że memrystory pozwolą również na zrewolucjonizowanie rynku układów FPGA - czyli programowalnych układów scalonych, które na bieżąco można dostosowywać do zadań, które mają wykonać. FPGA są niezwykle drogie, duże i powolne. Być może dzięki memrystorom pozbędziemy się ich wad, a zachowamy zalety. Jakby jeszcze tego było mało badacze z HP stwierdzili, że memrystory są bardziej przydatne niż przypuszczano. Okazało się bowiem, że są one w stanie nie tylko zapamiętywać dane, ale również przeprowadzać obliczenia. To z kolei oznacza, że zamiast budować osobne procesory możliwe będzie wykonywanie obliczeń przez same kości pamięci.

Na North Carolina State University powstały układy elektroniczne zbudowane z płynnych metali i hydrożeli. Kwazipłynne diody i memrystory powinny lepiej niż tradycyjna elektronika współpracować z wilgotnymi, miękkimi substancjami, takimi jak np. ludzki mózg. Częściowo płynne urządzenie korzysta z elektrod zbudowanych ze stopu galu (75%) i indu (25%). Stop taki bardzo dobrze przewodzi sygnały i jest płynny w temperaturze pokojowej. Elektrody umieszczono w obudowie z tworzywa sztucznego. Pomiędzy elektrodami znajdują się dwie warstwy agarozy, naturalnego hydrożelu używanego w biochemii. Każda z warstw została wzbogacona elektrolitami - w jednej jest to kwas poliakrylowy (PAA), w drugiej polietylenoimina (PEI). Opornością można sterować za pomocą napięcia. Na styku elektrod i agarozy w sposób naturalny tworzy się warstwa tlenku galu, który jest opornikiem. Dzięki wysokiemu pH polietylenoiminy tlenek nie osiada na elektrodzie. Z kolei manipulując napięciem można zmieniać grubość warstwy tlenku galu na elektrodzie mającej styczność z PAA. Napięcie dodatnie zwiększa grubość zwiększając rezystancję, ujemne prowadzi do zmniejszenia grubości warstwy tlenku. Dzięki temu można przełączać stan urządzenia pomiędzy przewodzącym a nieprzewodzącym. Co ważne, urządzenie po odcięciu napięcia zapamiętuje ostatni stan swojej rezystancji, a więc działa jak memrystor. Badania wykazały, że potrafi go zapamiętać przez ponad 3 godziny. Połączenie diod i memrystorów pozwala tworzyć różne typy obwodów. Półpłynna elektronika jest dziełem dwójki studentów, Ju-Hee So i jej kolegi Hung-Jun Koo. Zbudowali już oni testową wersję obwodu i badają interakcje pomiędzy różnymi elektrolitami i metalami. Chcą znaleźć optymalną konfigurację, która pozwoli, m.in. na szybsze przełączanie pomiędzy stanami przewodzącym i nieprzewodzącym. Zdaniem So, możliwe jest osiągnięcie czasu przełączania mierzonego w milisekundach. Jej zdaniem kwazipłynna elektronika może pewnego dnia posłużyć do zbudowania interfejsów łączących żywą tkankę z komputerami.

HP poinformowało o podpisaniu porozumienia z koreańską firmą Hynix Semiconductor, które przewiduje budowę fabryki memrystorów. Zakład ma rozpocząć produkcję w 2013 roku. Memrystor to czwarty podstawowy element elektroniczny. Pierwsze takie urządzenie powstało w laboratoriach HP w 2008 roku. Memrystor, zwany jest inaczej opornikiem pamięci. Zapamiętuje on skąd i ile informacji przepływa, sam usprawnia swoje działanie tak, by przepływ był jak najbardziej wydajny. Potrafi też zmieniać oporność w zależności od ilości i kierunku przyłożonego napięcia. Zapamiętuje też oporność po odłączeniu zasilania. Dzięki tym właściwościom pojedynczy memrystor może działać jak wiele (od 7 do 12) tranzystorów, pozwoli też na skonstruowanie mniejszej, tańszej, szybszej i bardziej energooszczędnej pamięci flash. Niewykluczone, że memrystory pozwolą również na zrewolucjonizowanie rynku układów FPGA - czyli programowalnych układów scalonych, które na bieżąco można dostosowywać do zadań, które mają wykonać. FPGA są niezwykle drogie, duże i powolne. Być może dzięki memrystorom pozbędziemy się ich wad, a zachowamy zalety. Jakby jeszcze tego było mało przed zaledwie pięcioma miesiącami badacze z HP stwierdzili, że memrystory są bardziej przydatne niż przypuszczano. Okazało się bowiem, że są one w stanie nie tylko zapamiętywać dane, ale również przeprowadzać obliczenia. To z kolei oznacza, że zamiast budować osobne procesory możliwe będzie przeprowadzanie obliczeń przez same kości pamięci. Porozumienie pomiędzy Hyniksem a HP nie idzie jednak aż tak daleko. Przewiduje ono wspólne prace nad pamięciami nieulotnymi typu ReRAM (Resistive Random Access Memory). Pamięci takie mają zapisywać dane zmieniając oporność pod wpływem przyłożonego napięcia. Doktor Stan Williams, jeden z twórców memrystora, mówi, że nie chodzi tu tylko o memrystor. Mówimy też o architekturze, projektowaniu obwodów, mechanizmach korekcji błędów - wnosimy do umowy cały pakiet. Zespół z mojego laboratorium przeprowadzi się na jakiś czas do Korei. Chcemy, by gotowe produkty trafiły na rynek w najkrótszym możliwym czasie. Przedstawiciele HP twierdzą, że pamięci wykorzystujące memrystory będą pracowały 10-krotnie szybciej i zużywały 10 razy mniej energii niż obecne układy flash. Ponadto, jak mówi Williams, ich żywotność nie będzie ograniczona cyklami zapisu. Ponadto przy tym samym koszcie produkcji pozwalają one na przechowywanie dwukrotnie większej ilości danych. Zainteresowanie HP kośćmi pamięci nie powinno dziwić. HP jest przede wszystkim producentem sprzętu i praktycznie wszystko, co firma sprzedaje - od pecetów, poprzez drukarki po systemy dla korporacji - zawiera układy pamięci.

Badacze z HP ogłosili, że memrystor, opracowany niedawno czwarty (po oporniku, kondensatorze i cewce) podstawowy obwód pasywny, ma większe możliwości niż dotychczas przypuszczano. Okazało się bowiem, że memrystor jest nie tylko w stanie przechowywać dane, ale również przeprowadzać obliczenia. Urządzenia korzystające z memrystora mogą zmienić standardową architekturę komputerów, gdyż pozwolą na przeprowadzenie obliczeń tam, gdzie dane są przechowywane, zamiast w wyspecjalizowanej centralnej jednostce obliczeniowej - mówi R. Stanley Williams z HP. Innymi słowy przewidujemy powstanie mniejszych i bardziej energooszczędnych komputerów w przyszłości, nawet wówczas, gdy nie będzie już możliwe dalsze zmniejszanie tranzystorów - dodaje. Możliwość zbudowana memrystora została przewidziana w roku 1971 przez profesora Leona Chua. Udało się go skonstruować w 2008 roku. Od tamtej pory połączono już memrystory z tranzystorami, z całym układem CMOS oraz przedstawiono teoretyczne podstawy budowy spintronicznego memrystora.

Naukowcy z laboratorium HP połączyli memrystor z tradycyjnym układem scalonym. Udowodnili w ten sposób, że nowy komponent może współpracować ze współczesną technologią, a to oznacza, iż wkrótce układy z memrystorami mogą trafić na rynek. To bardzo dobra wiadomość dla producentów procesorów, którzy szukają sposobów na ciągłe zwiększanie wydajności tych układów. W ciągu najbliższych lat możemy dojść do granicy, poza którą nie będzie możliwe produkowanie coraz mniejszych podzespołów. Już wcześniej udowodniono, że dzięki memrystorom będzie można tworzyć mniejsze, energooszczędne układy, gdyż memrystor może zastępować tranzystory. Memrystor to rodzaj opornika z pamięcią. Potrafi on zmieniać oporność w zależności od wartości i kierunku przyłożonego napięcia i, co bardzo ważne, zapamiętuje oporność po odłączeniu zasilania. Każdy memrystor może zastąpić od 7 do 12 tranzystorów - mówi Stan Williams, jeden z twórców memrystora. Jako, że potrafi on zapamiętać ostatnią wartość, jest znacznie bardziej energooszczędny od tranzystorów, które muszą być bez przerwy odświeżane nowymi dawkami energii elektrycznej. Williams, który kieruje badaniami nad memrystorami, wraz z zespołem umieścili 10 000 memrystorów na standardowym układzie CMOS. Specjaliści mówią, że największym wyzwaniem było samo umieszczenie memrystorów na miejscu, gdyż powierzchnia układów CMOS nie jest równa, a odchylenia rzędu 1/10000 milimetra mogłyby okazać się zbyt duże. Zastosowana macierz memrystorów została zbudowana z 200 krzyżujących się przewodów, które utworzyły siatkę z 10 000 połączeń. W każdym punkcie, gdzie przewody się krzyżowały, umieszczono pomiędzy nimi warstwę dwutlenku tytanu. Dzięki temu punkty skrzyżowań stały się memrystorami. Macierz połączono miedzianymi kablami z leżącym poniżej układem scalonym. Memrystor mógł przejąć część zadań układu CMOS. W ten sposób zwiększono jego wydajność bez konieczności zwiększania liczby tranzystorów, co pociągnęłoby za sobą konieczność użycia mniejszych tranzystorów, by większa ich liczba zmieściła się na takiej samej powierzchni. Co więcej, jak zauważył Williams, użycie memrystora spowodowało, że kość została wzbogacona o właściwości układu FPGA, czyli takiego, który można na bieżąco konfigurować w zależności od potrzeb. Uczeni zauważają, że konieczne jest jeszcze zwiększenie wydajności hybryd memrystor-CMOS, jednak ich pojawienie się zapowiada zmiany w całym przemyśle półprzewodnikowym.

W ubiegłym roku HP zaprezentowało czwarty podstawowy element elektroniczny - memrystor. Teraz badacze z Seagate Technology opisali teoretyczne podstawy budowy magnetycznego (spintronicznego) memrystora. Yiran Chen i Xiaobin Wang opracowali trzy typy memrystora. W jednym z nich spin części elektronów jest zwrócony w inną stronę, niż spin reszty, tworząc w ten sposób ścianę domeny. Elektrony przepływające przez memrystor posiadają pewien spin, który zmienia stan magnetyczny urządzenia. To z kolei przesuwa ścianę domeny i zmienia oporność urządzenia. Dwa pozostałe pomysły zakładają szybkie przełączanie memrystora pomiędzy stanami wysokiej i niskiej oporności. Przełączanie mogłoby odbywać się z różną prędkością, od piko- do mikrosekund, w zależności od zastosowań. Jeśli np. wykorzystamy memrystor do budowy dysku twardego, potrzebne byłoby przełączanie mierzone w pikosekundach. Jeśli zaś zbudujemy z niego miernik promieniowania - w mikrosekundach. Inżynierowie Seagate'a zapewniają, że spintroniczny memrystor jest łatwy do wyprodukowania i bez problemu można umieścić go w urządzeniu CMOS.

Podczas Memristor and Memristor System Symposium, które odbyło się w Berkeley, zademonstrowano pierwszy w historii układ będący połączeniem memrystorów z tranzystorami. Memrystor, po raz pierwszy pokazany w maju bieżącego roku, to czwarty typ podstawowego obwodu elektrycznego. Pokazany właśnie przez HP chip dowodzi, że układ stworzony z tranzystorów i memrystorów działa tak, jak kość złożona z dużej liczby samych tranzystorów. Tak więc wykorzystanie memrystorów pozwala na stworzenie znacznie mniejszych i zużywających mniej energii kości, które wydajnością nie ustępują tradycyjnym układom tranzystorowym. Memrystory pozwolą więc przez kolejne lata zachować ważność Prawu Moore'a. Stan Williams, jeden z twórców memrystora, mówi, że jego zintegrowanie z tranzystorami było znacznie łatwiejsze, niż przypuszczano. Ponieważ memrystory buduje się z tych samych materiałów, które wykorzystuje się obecnie w układach scalonych, okazało się, że zintegrowanie ich z tranzystorami jest bardzo łatwe. Memrystory działają jak oporniki, ale w przeciwieństwie do nich potrafią zmieniać oporność w zależności od ilości i kierunku przyłożonego napięcia. Ponadto zapamiętują oporność po odłączeniu zasilania. Dzięki temu pojedynczy memrystor może spełniać rolę wielu tranzystorów. Jest też obiecującą, szybszą, tańszą, mniejszą i bardziej energooszczędną alternatywą dla pamięci flash. Specjaliści mają nadzieję, że memrystor zrewolucjonizuje też budowę układów FPGA (Field Programmable Gate Array). To programowalne układy scalone, które można na bieżąco przystosowywać do zadań, które mają wykonywać. FPGA są obecnie używane przede wszystkim do projektowania innych kości, pozwalają bowiem producentowi przetestować architekturę kości. Są jednak drogie w produkcji, duże i wolno pracują, dlatego też nie są zbyt rozpowszechnione. Dzięki memrystorom być może uda się wyprodukować FPGA pozbawione jego wad, a zachowujące zalety. Przez najbliższe lata naukowcy będą badali i udoskonalali memrystory. Wiliams uważa, że pierwsze układy scalone z memrystorami trafią do sprzedaży w ciągu trzech lat.

Naukowcy z należącego do HP Information and Quantum System Lab skonstruowali nowy typ podstawowego elementu elektronicznego. Posłuży on do zbudowania energooszczędnych kości pamięci, które przechowują dane także po odcięciu dopływu energii. Dotychczas znano trzy pasywne obwody: opornik, kondensator i cewkę. W roku 1971 profesor Leon Chua z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley wysnuł teorię, że może istnieć czwarty rodzaj, nazwany przez niego opornikiem pamięci czyli memrystorem. Jego właściwości miały nie mieć swojego odpowiednika we wcześniejszych rodzajach. Po niemal 40 latach udało się go skonstruować. Memrystor działa nieco podobnie jak ludzki mózg. Dr Stanley Williams, jeden z jego twórców, mówi, że zapamiętuje on skąd i ile informacji przepływa i sam usprawnia swoje działanie tak, by przepływ był jak najbardziej wydajny. Uczeni mają nadzieję, że memrystor pozwoli skonstruować system komputerowy, który będzie zapamiętywał i kojarzył serię zdarzeń w podobny sposób, w jaki ludzki mózg zapamiętuje pewne wzorce. Dzięki temu mogą powstać np. systemy rozpoznawania twarzy czy maszyny uczące się na podstawie doświadczeń. Memrystor zachowuje się odmiennie od innych znanych nam obwodów - mówi Williams. Zapewnia, że HP nie stara się zbudować kopii ludzkiego mózgu, ale próbuje stworzyć komputer, który będzie działał na zasadach odmiennych od współczesnych maszyn. Nowy rodzaj pamięci stworzono z dwóch warstw tlenku tytanu, podłączonych do przewodów elektrycznych. Gdy do jednej z warstw przyłożone zostanie napięcie, zmienia się oporność drugiej warstwy. Zmiany oporności są różne w zależności od przyłożonego napięcia. Można je rejestrować jako dane. Po odłączeniu zasilania, memrystor pamięta wszelkie informacje. Williams uważa, że nowy rodzaj pamięci może trafić na rynek w ciągu pięciu lat.