Memorija i procesor na istom čipu
Istraživači iz Singapura i Nemačke napravili su jedinstveni ReRAM čip, na kome podaci mogu i da se memorišu i da se obrađuju. Ovaj koncept mogao bi da učini računare bliske budućnosti znatno efikasnijim.
Novo naučno dostignuće, koje će u velikoj meri promeniti kompjuterski hardver, nosi neobično ime: ReRAM. To je čip na kome podaci mogu da se i memorišu i obrađuju – u budućnosti neće biti potrebe za realizacijom posebnih memorijskih i procesorskih komponenti. Jedan čip obavljaće obe funkcije, što će omogućiti brži i energetski efikasniji rad računara i različitih mobilnih uređaja.
Hronologija ReRAM razvoja
ReRAM je skraćenica od Resistive Random Access Memory, mada je ova vrsta memorije poznatija pod nazivom memristor. Memristori se prvi put sreću još 1910. godine (fizičar Orso Mario Corbino). Pominju se i kasnije pri realizaciji modela nerava, za koji su 1963. godine Alan Lloyd Hodgkin i Andrew Fielding Huxley dobili Nobelovu nagradu. Ideja o uvođenju memristora u sadašnjem obliku potiče iz 1971. godine. „Krivac“ za to Leon Chuaje, profesor sa univerziteta Berkli. On je osmislio memristore na osnovu matematičkih relacija između elemenata električnih kola, a memristor je nazvao četvrtim osnovnim električnim elementom.
Četiri osnovne veličine u električnim kolima su količina elektriciteta, jačina struje, napon i magnetni fluks. Njihov međusobni odnos može se definisati na šest načina. Dva proističu iz osnovnih fizičkih zakona, a tri su dobro poznati osnovni elementi električnih kola – otpornici, kondenzatori i kalemovi. Jedan parametar tu očigledno nedostaje, pa se profesoru sa Berklija neprekidno nametala misao da, osim tri osnovna električna elementa, mora da postoji i četvrti.
Chua je izveo zaključak da četvrti element proističe iz zavisnosti između količine elektriciteta i magnetnog fluksa. Uveo je pojam memristora, otpornika promenljive otpornosti, koji se od ostalih osnovnih elemenata razlikuje po mogućnosti pamćenja količine naelektrisanja i nakon prestanka proticanja struje (napajanja). Zatim je teorijski (matematički) potpuno razradio princip rada i osnovne karakteristike memristora, mada fizički nije uspeo da ga realizuje.
Nakon gotovo 40 godina to je pošlo za rukom timu iz HP Lab‑ a koji predvodi Stanley Williams. Realizacija memristora objavljena je krajem aprila 2008. u časopisu Nature. Sistem je bio sastavljen od 17 memristora u jednom nizu, realizovanih na bazi titanijum‑dioksida. Narednih godina dosta se radilo na razvoju ReRAM memorija. Primenjivani su i neki drugi oksidi kao ekonomičnija rešenja od oksida titanijuma (ali sa slabijim performansama), a ostvareni su i brojni značajni rezultati u integrisanju ReRAM memorija u mnoga funkcionalna kola.
Princip rada memristora
Memristori su promenljivi otpornici nanodimenzija, čija se otpornost menja u zavisnosti od visine i polariteta napona koji na njega deluje. Od klasičnih otpornika razlikuju se po tome što mogu da „zapamte“ svoju otpornost i po prestanku napajanja. Na taj način, ponašaju se kao savršeni memorijski elementi.
Po konstrukciji, memristor više podseća na kondenzator nego na klasičan otpornik. Sastoji se od dve oblasti, nedopirane i dopirane, smeštene između elektroda od platine. Dopirana oblast ponaša se kao poluprovodnik, dok nedopirana ima neka svojstva izolatora. Sa ovakvom strukturom memristor podseća na PN spoj, na kome su zasnovane poluprovodničke diode i tranzistori. Ključna razlika između njih jeste u tome što se širina dopirane oblasti kod memristora može menjati, dok je kod PN spoja ona konstantna.
Bez dejstva električnog napona, čestice dopiranog materijala gusto su zbijene na jednoj strani poluprovodnika. Zbog toga memristor u tom stanju pokazuje veliku otpornost. Dovođenjem napona, čestice se pomeraju ka drugoj strani poluprovodnika, što smanjuje ukupnu otpornost samog memristora. Prema tome, zavisno od polariteta priključenog napona, dopirane čestice kretaće se na jednu ili drugu stranu i izazivati povećanje ili smanjenje otpornosti.
Kretanje dopiranih čestica kod tranzistora je štetno dok u slučaju memristora ono ima ključnu ulogu u njegovoj memorijskoj funkciji. Naime, u trenutku prestanka delovanja napona, memristor pamti vrednost otpornosti koja je prethodno ostvarena.
Početak nove IT ere
Za razliku od tih prvih ReRAM čipova koji su imali samo funkciju memorijske komponente, istraživači iz Singapura (Nanyang Technological University) i Nemačke (Forschungszentrum Juelich, jedan od najvećih multidisciplinarnih istraživačkih centara u Evropi) razvili su ReRAM čip koji istovremeno i memoriše i obrađuje podatke. Oni su 19. oktobra 2016. u žurnalu Scientific Reports objavili rad pod nazivom Multistate Memristive Tantalum Oxide Devices for Ternary Arithmetic. Kako kaže profesor Rainer Waser, jedan od koautora ove studije, ReRAM tehnologija njihovog višenamenskog čipa otvoriće novu eru u IT sektoru.
Dve funkcije ovog ReRAM čipa postignute su zahvaljujući tome što je kod memristora ostvarljivo više različitih funkcionalnih stanja, za razliku od ostalih električnih komponenti koje imaju samo dva funkcionalna stanja, i kod kojih se prevođenje u digitalni oblik vrši korišćenjem binarnog sistema (logička 0 i 1).
Pretvaranje podataka u binarni digitalni sistem zahteva vreme i usporava procesor. Efikasnija obrada podataka ostvaruje se sistemima s više stanja, a idealno rešenje bilo bi beskonačno mnogo stanja, što odgovara analognom sistemu. Zbog toga je ovaj istraživački tim kod realizacije svoje ReRAM tehnologije koristio sistem s tri stanja (Ternary Arithmetic), pri čemu su ta tri stanja u digitalnom obliku predstavljena logičkom 0, 1 i 2.
Kombinacija memorije i procesora na istom čipu vodi ka realizaciji manjih i tanjih uređaja, koji će raditi brže jer neće biti potrebno da se čeka na prenos podataka iz memorije u procesor, a istovremeno će trošiti manje energije. Sledeći korak u razvoju jeste realizacija sistema s više od tri stanja (put ka obradi u analognom obliku), kao i komercijalizacija već napravljenog čipa u saradnji s kompanijama koje se bave njihovom proizvodnjom. Za sada su napravljeni dogovori sa kompanijama SanDisk i Panasonic, pa će, kako kažu njihovi kreatori, ovi memorijski moduli uskoro biti i komercijalno dostupni.
Potencijalna primena
Ugradnja ReRAM čipova ubrzaće dva i više puta procesore u laptopovima i mobilnim uređajima. Eliminisanjem procesora smanjiće se prostor i ostvariti manja i lakša elektronika. Otvaraju se i mnoge nove mogućnosti dizajna za potrošačku elektroniku i tzv. nosive (wearable) tehnologije, kao i u izradi transparentnih čipova u touch screen i mobilnim uređajima (transparentna elektronika).
S obzirom na to da ReRAM čipovi rade poput neurona u čovekovom mozgu (skladište i obrađuju podatke), ovi memristori mogu da se koriste za imitaciju moždanih struktura. Pomoću memristora mogao bi da se napravi hardver koji bi emulirao funkcije čovekovog mozga, što bi predstavljalo veliki napredak u razvoju veštačke inteligencije u procesu učenja na osnovu iskustva, mogućnosti odlučivanja, tehnologijama prepoznavanja…
Na istraživanjima te vrste radi se na australijskom tehnološkom institutu RMIT (Royal Melbourne Institute of Technology) i na Kalifornijskom univerzitetu iz Santa Barbare. Njihovi istraživači su na bazi memristora napravili prvu elektronsku memorijsku ćeliju koja imitira analogne procese u čovekovom mozgu. Implementacija takvih ćelija može imati značajnu ulogu u medicini, na primer za lečenje bolesti kao što su Alchajmerova i Parkinsonova. Smatra se da bi to mogao biti prvi korak ka realizaciji veštačkog mozga na bazi memristora.
Buduće korišćenje memristora kao analognih elemenata vezuje se za njihovu primenu u analognim računarima, čiji je razvoj namenjen mnogim oblastima naučnog istraživanja. Danas se na tim istraživanjima radi standardnim računarima povećane snage i performansi (superkompjuterima), ali korišćenje analognih kompjutera biće mnogo efikasnije.
Nadežda Veljković
