Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
KopalniaWiedzy.pl

Połączyli memrystor z układem CMOS

Recommended Posts

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.

Share this post


Link to post
Share on other sites

dokładnie zamiast się mordować mieczami świetlnymi czy fazerami rzucamy się kamieniami, długa droga jeszcze przed nami ;] 

Share this post


Link to post
Share on other sites

Jak dla mnie jedna z największych rewelacji ostatnio. To może naprawdę zrewolucjonizować sposób projektowania układów scalonych i procesorów. O ile znowu nie utkną na emulacji architektury x86.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Mam wrażenie że to trochę takie przeniesienie problemu - pozwoli jeszcze przez jakiś czas zwiększać wydajność, ale też do pewnego momentu. Niemniej dobre i to - może do tego czasu wprowadzone zostaną układy biologiczno-elektroniczne..

 

Też uważam że pomysł bardzo dobry - zwłaszcza ze względu na zmniejszenie zużycia energii - może to mieć ogromny wpływ, gdyż oprócz niższego rachunku, może nie będzie trzeba montować radiatorów które czasem zaczynają mieć objętość większą od wszystkich pozostałych podzespołów w komputerze razem wziętych ;)

Share this post


Link to post
Share on other sites

Oj trzeba będzie, zaczną tak podkręcać układy że jeśli chodzi o chłodzenie to wiele się nie zmieni

Share this post


Link to post
Share on other sites

No nie wiem, z czego wnioskujesz, że memrystory będą mogły pracować z większą częstotliwością niż pozostałe elementy scalone? Nie znalazłem takiej sugestii?

 

Możliwości każdej technologii mają swój kres, memrystory będą być może pomostem między tradycyjnymi układami a bardziej zaawansowanymi technologiami. Choć mnie bardzie intryguje fakt, że to całkiem inny typ elementu niż dotychczasowe. Czy możliwe jest rozwinięcie całkiem innej koncepcji informatyki? Może odejście od ścisłej logiki zero-jedynkowej, skoro memrystor potrafi zapamiętywać kilka poziomów?

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      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
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Od dekad tranzystory są mniejsze i mniejsze. Dzięki temu w procesorze możemy upakować ich więcej. To zaś najłatwiejszy sposób na zwiększenie wydajności procesora. Powoli zbliżamy się do momentu, w którym nie będziemy już w stanie zmniejszać długości bramki tranzystora. Niewykluczone, że Chińczycy właśnie dotarli do tej granicy.
      Prąd w tranzystorze przepływa pomiędzy źródłem a drenem. Przepływ ten kontrolowany jest przez bramkę, która przełącza się pod wpływem napięcia. Długość bramki to kluczowy czynnik decydujący o rozmiarach tranzystora.
      W ostatnich latach naukowcy zaczęli eksperymentować z nowymi materiałami, z których chcą budować elektronikę przyszłości. W obszarze ich zainteresowań jest na przykład grafen – dwuwymiarowy materiał składający się z pojedynczej warstwy atomów węgla – czy disiarczek molibdenu, czyli warstwa atomów molibdenu zamknięta między dwiema warstwami siarki.
      Teraz specjaliści z Chin wykorzystali te materiały do zbudowania rekordowo małego tranzystora. Długość jego bramki wynosi zaledwie 0,34 nanometra. To tyle, co średnica atomu węgla.
      Nowy tranzystor można porównać do dwóch schodów. Na górnym znajduje się źródło, na dolnym zaś dren. Oba zbudowane są z tytanu i palladu. Powierzchnia schodów działa jak łączący je kanał. Jest ona zbudowana w pojedynczej warstwy disiarczku molibdenu, pod którą znajduje się izolująca warstwa ditlenku hafnu. Wyższy stopień zbudowany jest z wielu warstw. Na samy dole znajduje sie warstwa grafenu, nad nią zaś aluminium pokryte tlenkiem aluminium. Jego zadaniem jest oddzielenie grafenu i disiarczku molibdenu. Jedynym miejscem ich połączenia jest widoczna na grafice niewielka szczelina w wyższym stopniu.
      Gdy bramka zostaje ustawiona w pozycji „on” jej długość wynosi zaledwie 0,34 nm. Autorzy nowego tranzystora twierdzą, że nie uda się tej odległości już bardziej zmniejszyć. Na pewno zaś próba zbudowania jeszcze mniejszych tranzystorów będzie wymagała nowatorskiego podejścia do materiałów dwuwymiarowych.
      Ze szczegółami pracy zespołu z Tsinghua University można zapoznać się na łamach Nature.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      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
    • By KopalniaWiedzy.pl
      W procesorach Intela odkryto kolejną lukę. Dziura nazwana CacheOut to luka typu side-channel, czyli błąd pozwalający na wykorzystanie pewnych szczegółów, często prawidłowej, implementacji.
      Dziura odkryta przez naukowców z University of Michigan i University of Adelaide występuje we wszystkich procesorach od architektury SkyLake po Coffee Lake powstałych przed rokiem 2019. Wiadomo, że nie występuje ona w procesorach AMD, ale badacze nie wykluczają, że jest obecna w układach IBM-a i ARM.
      Jak zauważyli eksperci gdy dane są pobierane z cache'u L1 często trafiają do buforów, z których mogą zostać wykradzione przez napastnika. Bardzo atrakcyjnym elementem CacheOut jest fakt, że napastnik może zdecydować, które dane z L1 zostaną umieszczone w buforze, skąd dokona kradzieży. Specjaliści wykazali, że możliwy jest wyciek danych mimo wielu różnych zabezpieczeń. w tym zabezpieczeń pomiędzy wątkami, procesami, wirtualnymi maszynami, przestrzenią użytkownika a jądrem systemu.
      Intel, który o problemie został poinformowany już w ubiegłym roku, sklasyfikował lukę L1D Eviction Sampling/CVE-2020-0549/INTEL-SA-00329 jako średnio poważną i przygotował odpowiednie poprawki. Odpowiedni mikrokod zostanie upubliczniony a nwjbliższym czasie. Tymczasowym obejściem problemu jest wyłączenie wielowątkowości lub wyłączenie rozszerzenia TSX.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Na MIT powstał nowoczesny mikroprocesor z tranzystorami z nanorurek węglowych. Urządzenie można wyprodukować za pomocą technik używanych obecnie przez przemysł półprzewodnikowy, co ma olbrzymie znaczenie dla ewentualnego wdrożenia.
      Nanorurki węglowe są od dawna przedmiotem zainteresowań, gdyż dają nadzieję na zbudowanie kolejnej generacji komputerów po tym, gdy układów krzemowych nie będzie można już miniaturyzować. Tranzystory polowe z nanorurek węglowych (CNFET) mogą mieć bardzo obiecujące właściwości. Z dotychczasowych badań wynika, że powinny być one około 10-krotnie bardziej efektywne pod względem zużycia energii i pozwolić na przeprowadzanie obliczeń ze znacznie większą prędkością. Problem jednak w tym, że przy masowej produkcji w nanorurkach pojawia się tak wiele defektów, że nie można ich w praktyce wykorzystać.
      Naukowcy z MIT opracowali nową technikę, która znacząco zmniejsza liczbę defektów i daje pełną kontrolę nad produkcję CNFET. Co ważne, technika ta wykorzystuje procesy już używane w przemyśle półprzewodnikowym. Dzięki niej na MIT wyprodukowano 16-bitowy mikroprocesor składający się z 14 000 CNFET, który jest w stanie wykonywać te same obliczenia co tradycyjny procesor.
      Nowy procesor oparto na architekturze RISC-V. Testy wykazały, że jest on zdolny do wykonania pełnego zestawu instrukcji dla tej technologii.
      To, jak dotychczas, najbardziej zaawansowany chip wykonany w nowym procesie nanotechnologicznym, który daje nadzieję na wysoką wydajność i efektywność energetyczną, mówi współautor badań, profesor Max M. Shulaker. Krzem ma swoje ograniczenia. Jeśli chcemy coraz szybszych komputerów, to węglowe nanorurki są najbardziej obiecującym materiałem. Nasze badania pokazują zupełnie nowy sposób budowy układów scalonych z węglowymi nanorurkami.
      Shulaker i jego zespół od dawna pracują nad układami scalonymi z CNFET. Przed sześcioma laty byli w stanie zaprezentować procesor złożony ze 178 CNFET, który mógł pracować na pojedynczym bicie danych. Od tamtego czasu uczeni skupili się na rozwiązaniu trzech kluczowych problemów: defektach materiałowych, niedociągnięciach produkcyjnych oraz problemach funkcjonalnych.
      Największym problemem było uzyskanie nanorurek odpowiedniej jakości. Żeby CNFET działał bez zakłóceń, musi bez problemów przełączać się pomiędzy stanem 0 i 1, podobnie jak tradycyjny tranzystor. Jednak zawsze podczas produkcji powstanie jakaś część nanorurek, które będą wykazywały właściwości metalu, a nie półprzewodnika. Takie nanorurki czynią CNFET całkowicie nieprzydatnym. Zaawansowane układy scalone, by być odpornymi na obecność wadliwych nanorurek i móc szybko wykonywać zaawansowane obliczenia, musiałyby korzystać z nanorurek o czystości sięgającej 99,999999%. Obecnie jest to niemożliwe do osiągnięcia.
      Naukowcy z MIT opracowali technikę nazwaną DREAM (designing resilency against metallic CNT), która tak pozycjonuje metaliczne CNFET, że nie zakłócają one obliczeń. Dzięki temu zmniejszyli wymagania dotyczące czystości nanorurek aż o cztery rzędy wielkości. To zaś oznacza, że do wyprodukowania w pełni sprawnego układu potrzebują nanorurek o czystości sięgającej 99,99%, a to jest obecnie możliwe.
      Uczeni przeanalizowali różne kombinacje bramek logicznych i zauważyli, że metaliczne nanorurki węglowe nie wpływają na nie w ten sam sposób. Okazało się, że pojedyncza metaliczna nanorurki w bramce A może uniemożliwić komunikację pomiędzy nią, a bramką B, ale już liczne metaliczne nanorurki w bramce B nie wpływają negatywnie na jej możliwości komunikacji z żadną bramką. Przeprowadzili więc symulacje, by odnaleźć wszystkie możliwe kombinacje bramek, które byłyby odporne na obecność wadliwych nanorurek. Podczas projektowania układu scalonego brano pod uwagę jedynie te kombinacje. Dzięki technice DREAM możemy po prostu kupić komercyjne dostępne nanorurki, umieścić je na plastrze i stworzyć układ scalony, nie potrzebujemy żadnych specjalnych zabiegów, mówi Shulaker.
      Produkcja CNFET rozpoczyna się od nałożenia znajdujących się w roztworze nanorurek na podłoże z predefiniowanym architekturą układu. Jednak nie do uniknięcia jest sytuacja, w której część nanorurek pozbija się w grupy, tworząc rodzaj dużych cząstek zanieczyszczających układ scalony. Poradzono sobie z tym problemem tworząc technikę RINSE (removal of incubated nanotubes through selective exfoliation). Na podłoże nakłada się wcześniej związek chemiczny, który ułatwia nanorurkom przyczepianie się do niego. Następnie, już po nałożeniu nanorurek, całość pokrywana jest polimerem i zanurzana w specjalnym rozpuszczalniku. Rozpuszczalnik zmywa polimer, a ten zabiera ze sobą pozbijane w grupy nanorurki. Te zaś nanorurki, które nie zgrupowały się z innymi, pozostają przyczepione do podłoża. Technika ta aż 250-kronie zmniejsza zagęszczenie zbitek nanorurek w porównaniu z alternatywnymi metodami ich usuwania.
      Poradzono sobie też z ostatnim problemem, czyli wytworzeniem tranzystorów typu N i typu P. Zwykle produkcja tych tranzystorów z węglowych nanorurek kończyła się uzyskaniem urządzeń o bardzo różniącej się wydajności. Problem rozwiązano za pomocą nowej techniki o nazwie MIXED (metal interface engineering crossed with electrostatic doping), dzięki której możliwe jest precyzyjna optymalizacja procesorów do wymaganych zadań. Technika ta polega na dołączeniu do każdego tranzystora, w zależności czy ma być on P czy N, odpowiedniego metalu, platyny lub tytanu. Następnie tranzystory są pokrywane tlenkiem, co pozwala na ich dostosowanie do zadań, jakie będą spełniały. Można więc osobno dostroić je do pracy w zastosowaniach w wysoko wydajnych serwerach, a osobno do energooszczędnych implantów medycznych.
      Obecnie, w ramach programu prowadzonego przez DARPA (Agencja Badawcza Zaawansowanych Projektów Obronnych), wspomniane techniki produkcji układów scalonych z węglowych nanorurek wdrażane są w fabrycznych liniach produkcyjnych. W tej chwili nikt nie potrafi powiedzieć, kiedy w sklepach pojawią się pierwsze procesory z CNFET. Shulaker mówi, że może się to stać już w ciągu najbliższych pięciu lat. Sądzimy, że teraz to już nie jest pytanie czy, ale pytanie kiedy, mówi uczony.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...