Komputerowa rewolucja przyszłości

Większa wydajność i pojemność to nie wszystko, czego możemy oczekiwać niebawem od urządzeń IT. Przeczytaj o inteligentnych procesorach, które mają tak jak człowiek uczyć się z własnych doświadczeń, a także o innych, równie ekscytujących rozwiązaniach z przyszłości.

Podstawy komputerów, które pojawią się w przyszłości, już dziś wywołują prawdziwą furorę. Pamięć, która może sobie przypomnieć swoją poprzednią zawartość, układy scalone, które się uczą, nanomolekularne dyski twarde i internet z niewyczerpującą się nigdy pulą adresów sieciowych. Te cztery rozwiązania właśnie się przymierzają do opuszczenia laboratoriów, a więc niebawem będą gotowe wprowadzenia na rynek i mogą na nowo zdefiniować przyszłe komputery, smartfony i tablety. A jedną z najbardziej ekscytujących innowacji ostatnich lat – memrystorem – przemysł półprzewodnikowy może sam sobie poważnie zaszkodzić.

Rzut oka na memrystor przez mikroskop elektronowy. Firma HP pokłada wielkie nadzieje w tym nowatorskim typie pamięci i już za trzy lata chce wejść z gotowym produktem na rynek. (źródło: HP)

Rzut oka na memrystor przez mikroskop elektronowy. Firma HP pokłada wielkie nadzieje w tym nowatorskim typie pamięci i już za trzy lata chce wejść z gotowym produktem na rynek. (źródło: HP)

Memrystor – układ scalony z pamięcią

Nowoczesny komputer klasy PC, który jest wyposażony w dysk twardy SSD i Windows 8, uruchamia się mniej więcej 20 sekund po zwykłym zamknięciu systemu operacyjnego. Nawet tablet z Androidem jest gotowy do pracy dopiero po kilku(nastu) sekundach. Tak długo trwa wczytywanie systemu z pamięci flash. Ale już niedługo oczekiwanie na rozruch może przejść do historii, bo procesory najnowszej generacji nie tracą zapisanych w nich informacji – nawet wtedy, gdy są wyłączone. Element elektroniczny<a>, o którym mo</a>wa, to memrystor. Nazwa jest zbitką angielskich słów memory (pamięć) i resistor (opornik). Memrystor zmienia swoją rezystancję zależnie od natężenia przepływającego przez niego prądu. Istotne jest to, że nawet po odłączeniu zasilania informacja zachowana w elemencie nie ulega utracie. Zatem można powiedzieć, że memrystor pamięta swój poprzedni stan.

I właśnie to sprawia, że wymyślony już 40 lat temu, lecz dopiero teraz gotowy do seryjnej produkcji element elektroniczny spowoduje nową rewolucję w sprzęcie komputerowym. Już w niedalekiej przyszłości będzie można wytwarzać komputery o minimalnym czasie rozruchu (gotowe do pracy tuż po włączeniu) z nieulotną pamięcią operacyjną, a także energooszczędne i jeszcze mniejsze układy pamięci, umożliwiające długoterminowe przechowywanie danych <a>metodą bierną</a>. Biorąc pod uwagę wspomniane właściwości, memrystor sprawdzi się jako wydajniejszy następca pamięci zarówno DRAM, jak i flash.

Jak działa memrystor?

Na temat memrystora spekulowano już w latach siedemdziesiątych, a Leon Chua, profesor na kalifornijskim uniwersytecie w Berkeley, opisał jego podstawowe zasady działania na długo przedtem, nim udało się go skonstruować. Wówczas jego teorie miały postać wizjonerskich przemyśleń, jakiego składnika brakuje w grupie elementów wymaganych do budowy obwodów elektrycznych. Memrystor stanowi jeden z czterech podstawowych biernych (a więc niewytwarzających energii elektrycznej) elementów elektronicznych. Pozostałe trzy to opornik, cewka i kondensator. Memrystor jest nazywany elementem podstawowym, bo jego właściwości nie uda się imitować przy użyciu trzech pozostałych.

W swojej obecnej postaci memrystory są wykonane z półprzewodników i składają się z błony z dwutlenku tytanu ułożonej pomiędzy dwoma platynowymi elektrodami. Zawartość tlenu w dwutlenku tytanu decyduje o jego przewodności elektrycznej. Jedna z warstw błony jest zubożona o atomy tlenu, wskutek czego ma mniejszą rezystancję (opór elektryczny). Po przyłożeniu napięcia niedobór tlenu przesuwa się w kierunku bieguna dodatniego, zmieniając trwale rezystancję łączną elementu. Efekt ten można odwrócić przez zamianę biegunów, a przykładając prąd zmienny, można odczytać wartość rezystancji bez jej naruszenia. Stworzenie memrystora jest tak przełomowym osiągnięciem dla rozwoju elektroniki, jak np. odkrycie nowego pierwiastka dla chemii czy nowej cząsteczki dla fizyki.

Nowa pamięć zbyt dobra?

Firma HP nawiązała współpracę z koreańskim producentem elementów półprzewodnikowych Hynix, aby wytwarzać memrystory na dużą skalę. Jak twierdzi, już teraz może otrzymywać układy o ogromnej gęstości pamięci, gotowe do wprowadzenia na rynek. Jak informuje HP, układy memrystorowe już w przyszłym roku przewyższą pod względem wydajności układy pamięci flash.

Nietrudno się domyślić, że epokowy wynalazek, jakim stał się memrystor, jest po prostu zbyt dobry – bije na głowę dotychczasowe rozwiązania do przechowywania danych, więc jest więc postrzegany jako zagrożenie dla wytwarzanych obecnie układów pamięci. Dlatego producenci układów scalonych zwolnili tempo już teraz, a więc przed wprowadzeniem memrystorów na rynek. Uzasadnione są obawy, że układy te zapoczątkowałyby koniec ery modułów flash. Wówczas technologia pamięci flash stałaby się przeżytkiem, a przecież można na niej jeszcze przez pewien czas zarabiać duże pieniądze. Hynix jest przodującym producentem konwencjonalnych układów pamięci i – będąc partnerem firmy HP – nie będzie podcinać gałęzi, na której siedzi. Stan Williams z HP Labs oznajmił, że obecnie inwestuje się więcej w badania rynkowe dotyczące memrystorów niż w rozwój tych nowatorskich układów pamięci. Zostaną one wypuszczone na rynek dopiero po opracowaniu strategii marketingowej obiecującej maksymalne zyski.

Schemat budowy memrystora. Przyłożone do warstwy dwutlenku tytanu napięcie stałe zmienia trwale jej rezystencję.

Schemat budowy memrystora. Przyłożone do warstwy dwutlenku tytanu napięcie stałe zmienia trwale jej rezystencję.

Szare komórki – układy neuromorficzne

Wynalazca memrystorów uważa je za coś więcej niż wydajniejszych następców pamięci DRAM i flash. Profesor Leon Chua, który stworzył teoretyczne podstawy budowy memrystorów, twierdzi, że stanowią one elektroniczny odpowiednik synaps w ludzkim mózgu, czyli połączeń między neuronami (komórkami nerwowymi). Połączenia te działają tym sprawniej, im częściej są używane. Powstają w wyniku uczenia się. I rzeczywiście, memrystory mają bardzo podobne właściwości. Wydaje się, że jesteśmy o krok bliżej zbudowania komputera, który działa na podobnych zasadach jak ludzki mózg. W stanie pełnej świadomości, nasz mózg osiąga moc elektryczną na poziomie 20 watów. Mimo tak niewielkiej mocy, rozwiązuje wiele wyuczonych wcześniej zadań i problemów optymalizacyjnych, podejmuje wyzwania kognitywne jeszcze szybciej od stworzonych dotychczas superkomputerów. Powstanie układów neuromorficznych, które za pomocą memrystorów imitują taką zdolność uczenia się, jaką dysponuje mózg człowieka, umożliwiłoby stworzenie komputerów, które potrafiłyby same się uczyć, zdobywać doświadczenie i same się programować. Intel pracuje obecnie nad technologią układów neuromorficznych, stawiając na połączenie mikroskopijnie małych magnesów i memrystorów. Zamierza uzyskać przy użyciu niewielu miliwoltów i niskim poborze mocy to, do czego obecne procesory CPU wymagają napięcia na poziomie kilku woltów.

Procesor, który samodzielnie się uczy – układy morfologiczne to obwody logiczne wyposażone w memrystory, które naśladują działanie szarych komórek. (źródło: Uniwersytet Bielefeld)

Procesor, który samodzielnie się uczy – układy morfologiczne to obwody logiczne wyposażone w memrystory, które naśladują działanie szarych komórek. (źródło: Uniwersytet Bielefeld)

Nanolitografia – nośniki o bardzo wysokiej gęstości zapisu

Z obecnego punktu widzenia dysk twardy to archaiczny kamień milowy w rozwoju technologii IT. Już 66 lat temu pierwsze obracające się talerze magnetyczne modelu IBM 350, których średnica była taka jak opony samochodowej, oferowały pięć megabajtów pamięci. Jak na ówczesne warunki była to pojemność wręcz gigantyczna. Nawet przy utrzymaniu się tendencji spadkowej cen dysków SSD obecne trendy w rozwoju technologii dysków twardych zapewne jeszcze długo nie pozwolą nam się pożegnać z tym równie wypróbowanym, co tanim nośnikiem danych. Popyt na konwencjonalne dyski magnetyczne pozostanie na wysokim poziomie wszędzie tam, gdzie trzeba przechowywać dużo danych za stosunkowo niską cenę.

Ostatni wielki postęp w technologii magnetycznych nośników danych dokonał się około pięć lat temu, gdy gęstość zapisu przekroczyła 30 gigabitów na centymetr kwadratowy. Stało się to możliwe za sprawą pionowego (prostopadłego względem powierzchni talerza) ułożenia domen magnetycznych na powierzchni nośnika. Technologię tę nazywa się zapisem prostopadłym (ang. perpendicular recording). Dwa sąsiednie namagnesowane obszary nie oddziałują na siebie tak mocno, jak w wypadku stosowanego wcześniej zapisu równoległego. Za pomocą tej technologii można więc było gęściej upakować bity na dysku twardym, wskutek czego pierwszym modelom, w których znalazła zastosowanie, udało się przekroczyć 1 TB pojemności, podczas gdy dotychczasowe zapewniały zaledwie połowę tej powierzchni na dane.


Zobacz również