Память нового поколения: российские ученые нашли способ увеличить объем компьютерной памяти

Материал поли-п-ксилилен, из которого будет состоять устройство, поможет увеличить объем хранимой информации без огромных энергозатрат.

Компьютерная память или оперативное запоминающее устройство – это системное временное хранилище, где содержатся данные, которые используются во время работы компьютера. Она чем-то похожа на рабочий стол – чем больше стол, тем больше бумаг или папок вы можете на нем разместить. Следовательно, чем больше памяти, тем больше программ можно запустить.

Компьютерная память хранит в ячейках запись поступающей к ней информации. Эти ячейки улавливают и фиксируют разные физические воздействия: включение ячеек в электрическую цепь, запись данных, преломление лучей лазера или точечный нагрев, и записывают информацию с помощью двух состояний – «0» и «1», то есть «выключено» и «включено» соответственно.

Первые компьютеры

 Одним из первых в истории компьютеров стала аналитическая машина британца Чарльза Бэббиджа. В 1834 году он начал строить модель, которая состояла из валиков и шестерней, вращаемых вручную при помощи специального рычага. Положение валов и шестерен соответствовало разным значениям единицы информации. Она должна была работать с помощью перфокарт Жаккара, носителей из тонкого картона, которые фиксировали информацию наличием или отсутствием отверстий в определенных позициях.

Аналитическая машина так и не была достроена, но все равно считалась первым компьютером. Прибор состоял из «мельницы», отвечающей за обработку информации или же частью современного процессора, устройств ввода и вывода или первых прототипов клавиатуры и монитора, «склада» с промежуточными результатами вычислений и хранением информации или памяти и устройства для управления определенной последовательностью элементов или блока управления.

Далее вклад в развитие компьютеров внес американский изобретатель Герман Холлерит. В 1890 году он впервые разработал ручной перфоратор для цифровых данных. Также он ввел механическую сортировку перфокарт, которая раскладывала их в зависимости от места нанесения отверстий. С помощью табулятора, который прощупывал отверстия на перфокартах, машина воспринимала их как числа и подсчитывала. Спустя время Холерит основал компанию, которая впоследствии стала International Business Machines (IBM) – известным разработчиком компьютеров.

Появление микросхем

Основной тенденцией при создании и разработке компьютерной памяти было уменьшение ее размеров и энергопотребления. Большим толчком для развития ЭВМ и памяти стало создание интегральных схем, состоящих из полупроводниковых транзисторов, заключенных в одном корпусе. Это увеличило скорость обработки данных.

Так появились микросхемы – устройства, которые изготавливаются на полупроводниковой пластине и помещаются в неразборный корпус. Они значительно увеличивают эффективность работы компьютера за счет большой мощности и небольшого размера. Идею микросхемы выдвинул британец Джеффри Даммер в 1952 году, а создание первой интегральной схемы состоялось спустя 8 лет группой американского физика Джея Ласта. Далее основная память перешла на микрочипы и стала хранить от 64 до 512 Кбита и даже 1 Мбита информации.

А что сегодня?

Сегодня микросхемы активно используют для хранения информации с помощью двух видов памяти: динамической и статической.

Динамическую память используют в обычных компьютерах – это своеобразные «прямоугольники» со строками и столбцами под аббревиатурой DRAM, которые состоят из объема хранимой памяти. На них располагаются микросхемы памяти и разъемы для подключения к материнской плате. Такая память дешевая, но нуждается в постоянном обновлении, так как изготавливается из конденсаторов небольшой емкости, которые необходимо постоянно заряжать, чтобы не терять данные. Этот процесс регенерация памяти осуществляется специальным контроллером – цифровой схемой, которая управляет потоками данных между оперативной памятью и вычислительной машиной. Контроллер, в основном, располагается на материнской плате. В этом случае, спустя время в памяти перезаписывается строка ячеек и через примерно 8–64 мс обновляются все строки памяти.

Статическая память, SRAM, чаще встречается там, где скорость важнее, чем экономия в стоимости и размерах. Например, в процессорной кэш-памяти, так как скорость работы кэша определяет общую скорость работы процессоров, что и требует более дорогого элемента памяти. Она дороже, но не требует регенерации.

Основным недостатком современной оперативной памяти остается энергозависимость, так как все типы памяти работают и хранят записанную информацию только при наличии доступа к току. Долгое время ведутся исследования, которые направлены на поиск энергонезависимых элементов памяти, однако попытки крайне не всегда успешны.

Память нового поколения

 Российские ученые уже разрабатывают такие элементы компьютерной памяти, которые в будущем могут стать частью компьютера, работающего по принципам человеческого мозга. Исследователи из НИЦ «Курчатовский институт» создают «ячейки будущего» – мемристоры – из особого материала поли-п-ксилилена. Обычная ячейка памяти компьютера хранит лишь 1 бит информации, тогда как ячейки мемристоров российских ученых – до 4 бит или 16 различных значений информации. Таким образом, энергопотребление снижается, а эффективность устройств памяти увеличивается. Материал поли-п-ксилилен поможет таким ячейкам адаптироваться к любым электронным устройствам.

Теория мемристора впервые была выдвинута в 1971 году ученым Леоном Чуа. Он считал, что четыре базовых величины, которые характеризуют состояние электросхем: заряд, ток, напряжение и магнитный поток можно соотнести друг с другом шестью разными способами. Ток и напряжение определяются базовым физическим Законом Ома, для трех других существуют элементы микросхем: резистор, индуктивность и конденсатор. Что интересно, одна позиция, которая соотносит заряд и магнитный поток, до сих пор остается свободной. Исходя из математической эстетики и собственного видения, Чуа решил дополнить это место «мемристором». Отличие мемристора от других элементов микросхемы заключалось в том, что только мемристор мог хранить внутри память о прошлом. Проще говоря, этот элемент действовал как резистор с изменениями значений сопротивления в соответствии с током, который через него проходил. Значение сопротивления запоминалось бы даже после исчезновения тока в цепи. Это означает, что мемристор стал бы энергонезависимым элементом.

Мемристоры сегодня – компьютерные ячейки с эффектом памяти. Принцип его работы в том, что чем больший сигнал через него пройдет, тем лучше он пропустит сигнал в будущем. Это, как полагают ученые, сближает его с нервными окончаниями человека, а следовательно – и с работой человеческого мозга, так как мемристор способен не только хранить данные, но и обрабатывать информацию. Мемристор от обычного транзистора отличает то, что он работает не только в двух состояниях: либо «0», либо «1». Он может находиться между ними, что характеризует его как пластичное устройство, которое позволит сохранять куда большее количество информации.

В теории мемристоры могут стать более компактными и быстрыми, чем энергозависимые флеш-накопители, которые теряют записанную информацию уже спустя года без доступа к току. Также они могут служить заменой оперативной памяти. Это позволит компьютеру отказаться от загрузки системы и даже после выключения сохранять текущий процесс, чтобы при включении продолжить работу с момента отключения компьютера от сети.

Что за материал – поли-п-ксилилен?

 Вещество поли-п-ксилилен – это специальный органический материал, который обладает способностью к биосовместимости. Это означает, что микрочипы и микросхемы на его основе можно будет вживлять в человеческий организм без всяких проблем. Поли-п-ксилилен обладает высокими барьерными свойствами ко всем субстанциям, что обеспечивает высокую защиту от любого воздействия химического характера, а также влияния окружающей среды и старения.

Мемристоры, изобретенные учеными, будут иметь вид своеобразного «сэндвича»: слой поли-п-ксилилена толщиной в 100 нанометров размещается между «верхним» и «нижним» проводящими электродами. В таком составе «нижний» – инертный, а «верхний» из меди или серебра – активный. Металлические атомы достаточно подвижны, и под действием электрического поля они проникают в слой поли-п-ксилилена. Внутри него ионы металла двигаются к нижнем электроду, там собираются и далее восстанавливают свое металлическое состояние. Таким образом происходит постепенное образование проводящего «металлического мостика» между электродами. Чем он толще, тем выше проводимость мемристора. Это и кодирует сохраненную информацию.

Российские ученые улучшили методику обучения мемристорных нейросетей и внедрили в систему «эффекты второго порядка» – увеличение скорости работы мемристора за счет его предварительного разогрева. Это обеспечит подвижность атомов металла и приведет к уменьшению затрат на увеличение проводимости мемристора. Для сравнения: в обычных компьютерах связь между ячейками происходит с помощью десятка транзисторов, тогда как связь между ячейками в новых компьютерах может быть обеспечена благодаря одному мемристору. Это также улучшит энергоэффективность нейронных сетей, которым будет хватать совсем небольшого количества энергии за счет внутренних процессов, а в будущем – поможет создавать микрочипы для вживления в человеческий организм. Такая разработка пригодится в области создания мозговых имплантов, а также, например, контроля за здоровьем, напоминая пациентам о приемах у врача и принятии таблеток.

Искусственный мозг не за горами

Интересно, что мозг, обладая 10 миллионами синапсов на квадратный метр, потребялет всего несколько Ватт энергии. Нынешние компьютеры – в десятки и сотни раз больше.

Мемристоры на основе поли-п-ксилилена обеспечат разработку искусственных синапсов (в человеческом организме работают как передатчики информации между клетками) для нейросетей искусственного интеллекта, что будет не только вторить человеческим синапсам, но и уменьшит энергопотребление. Это большой шаг в сторону момента, когда ученые вплотную приблизятся к созданию компьютеров с ассоциативной памятью и самообучающимися синапсами.

Саммари: Специалисты из Курчатовского института разработали уникальные ячейки для компьютерной памяти – мемристоры, – которые способны заменить оперативную память компьютера, а также флеш-накопители. Особый материал поли-п-ксилилен обеспечит работу ячеек мемристора по аналогии с человеческим мозгом: с огромным увеличением емкости и без существенных энергозатрат.