artykuły

Memrystory – pamięć rezystywna w obliczeniach

Co po Optane?

13 21 maja 2019, 16:39 Mateusz Brzostek

Od ogłoszenia, że wynaleziono memrystor, minęło ponad 10 lat. Zainteresowanie tą techniką pozornie osłabło, ale w rzeczywistości memrystory można już kupić, i to w masowych ilościach. A w niedalekiej przyszłości techniki związane z rezystywną pamięcią mogą przynieść radykalny postęp nie w dziedzinie przechowywania danych, lecz w wielkich obliczeniach.

Spis treści

W tym artykule obok elektroniki i półprzewodników będzie trochę historii i biologii. Zagadnienie jest bardzo rozległe i niemożliwe do skondensowania w jeden wywód, ale jednak chcemy zarysować wpływ, jaki będzie mieć na przyszłość komputeryzacji. Dlatego wybaczcie nam szybkie przeskakiwanie od tematu do tematu.

Krótka historia Stanforda Ovshinskiego

Szlaki w dziedzinie, o której będziemy mówić, przecierał jeden z największych wynalazców i naukowców, o jakich zapewne nie słyszeliście. Chyba każdy wie, kim był Nikola Tesla. Ci z was, którzy są bardziej zainteresowani historią elektroniki i telekomunikacji, mogą znać Aleksandra Popowa, Pawła Jabłoczkowa czy Hedy Lamarr. Ale kto słyszał o Stanfordzie Ovshinskim?

Stanford Ovshinsky urodził się w 1922 roku. Był synem litewskich imigrantów w USA. Nie odebrał wyższego wykształcenia, ale po szkole średniej podejmował różne prace związane ze ślusarstwem i obróbką metali na potrzeby przemysłu gumowego, zbrojeniowego i samochodowego. Po pewnym okresie pracy w firmach motoryzacyjnych założył z bratem własną firmę świadczącą usługi projektowe i prototypowe dla przemysłu w Detroit i okolicach. W tym czasie rozwijał swoje dwa równoległe zainteresowania: zajmował się półprzewodnikami oraz neurologią i inteligencją. W latach 50. pracował między innymi nad półprzewodnikami powstającymi nie z kryształów (na przykład z domieszkowanego krzemu), ale z materiałów amorficznych, o nieuporządkowanej strukturze.

Stanford Ovshinsky z żoną w 1960 roku

W 1955 roku rosyjscy badacze zwrócili uwagę na półprzewodnictwo w szkłach chalkogenkowych, czyli związkach pierwiastków z grupy tlenowców (poza tlenem): siarki, selenu, telluru. Chalkogenki wzbudziły zainteresowanie Ovshinskiego, bo mogły być produkowane prostszymi i tańszymi metodami niż półprzewodniki wymagające najpierw wytworzenia czystego, niezakłóconego kryształu. Ponadto wiele szkieł chalkogenkowych w postaci cienkich warstw pod wpływem ciepła zmienia strukturę na krystaliczną. W zależności od tempa nagrzewania i ochładzania mogą zmieniać stany skupienia ze szkła w kryształ i na odwrót. Wraz ze zmianą stanu skupienia zmienia się wiele ich właściwości fizycznych, szczególnie współczynnik odbicia światła i oporność elektryczna.

Stanford Ovshinsky był przede wszystkim inżynierem i praktykiem i odkryte mechanizmy fizyczne szeroko patentował. Od 1955 do 2006 roku założył pod różnymi nazwami kilka kolejnych firm, z których najbardziej znane to Energy Conversion Devices (później Energy Conversion Laboratory), Ovonic Battery Company oraz Ovonic Solar. Ich działalność finansował ze sprzedaży lub licencjonowania patentów. Początkowo głównym źródłem jego dochodu była produkcja i licencjonowanie ogniw słonecznych. Z czasem firma Ovshinskiego zajęła się również badaniami nad akumulatorami niklowo-metalowo-wodorowymi (NiMH), które potem stały się bardzo lukratywną branżą ze względu na wykorzystanie w pierwszych komercyjnych samochodach elektrycznych i hybrydowych.

Szkła chalkogenkowe jako memrystory

Drugim zainteresowaniem Ovshinskiego poza energetyką było wykorzystanie amorficznych materiałów w informatyce oraz odtworzenie możliwości układów nerwowych i mózgu. Po drodze do tego drugiego celu opracował podstawy wykorzystania wspomnianych szkieł chalkogenkowych jako pamięci nieulotnej. Z pomocą żony, która miała wykształcenie biologiczne i biochemiczne, zauważył, że elementy półprzewodnikowe zmieniające stan skupienia zachowują się pod pewnymi względami podobnie do struktur biologicznych: neuronów i synaps. W 1968 roku Ovshinsky opublikował pracę pokazującą, jak można wywołać odwracalne zmiany elektryczne w materiałach amorficznych. Niedługo później, w 1971 roku, teoretyk obwodów elektronicznych, profesor Leon Ong Chua przedstawił hipotetyczny element: memrystorWyjaśnienie terminologii na ostatniej stronie., który zmienia oporność w zależności od natężenia prądu, jaki płynął przez niego w przeszłości. Na końcu swojej słynnej pracy profesor Chua nadmienił, że jego teoria może się przydać w praktyce do modelowania nowatorskiego elementu opisanego przez Ovshinskiego. I właśnie zastosowanie memrystorów (nie tylko zbudowanych na podobieństwo wynalazków Ovshinskiego) będzie przedmiotem tego artykułu.

Nośniki optyczne i kłopoty z patentami na baterie

Szkła chalkogenkowe zmieniające stan skupienia znalazły zastosowanie niezwiązane bezpośrednio z zainteresowaniami Ovshinskiego: w wielokrotnie zapisywalnych nośnikach optycznych, na przykład CD-RW i DVD-RW. Cienka warstwa materiału amorficznego słabo odbija światło, a po nagrzaniu laserem i przekształceniu miejscowo w strukturę krystaliczną – znacznie mocniej. Wzór mniej i bardziej odbijających światło stref jest czytelny dla napędu optycznego tak samo jak wytłoczone wgłębienia w płytach nienagrywalnych albo wypalone nieodwracalnie wzory na płycie jednokrotnego zapisu. Stanford Ovshinsky nie miał bezpośrednio do czynienia z mediami optycznymi, ale ich powstanie w latach 80. XX wieku było możliwe między innymi dzięki rozbudzonemu przez niego zainteresowaniu amorficznymi chalkogenkami. 

Żeby sfinansować swoje badania nad energią słoneczną, neurologią i memrystorami, Ovshinsky sprzedał część swoich firm zajmującą się bateriami do elektrycznych samochodów. Wraz z patentami i technologią trafiły one do różnych przedsiębiorstw z branży motoryzacyjnej i naftowej, które poprzednio dawały Ovshinskiemu pieniądze na badania: General Motors, Texaco, Chevron, a obecnie BASF. Baterie NiMH są pod wieloma względami znacznie mniej atrakcyjne od wykorzystywanych obecnie akumulatorów litowo-jonowych (przechowują znacznie mniej energii w takiej samej masie akumulatora). Jednak wielu obserwatorów, w tym sam Ovshinsky, sądziło, że gdyby nie utrudnienia ze strony firm, które przejęły te patenty, baterie NiMH mogłyby dorównać i przewyższyć baterie Li-Ion. Toyota i Panasonic przy opracowywaniu baterii NiMH do samochodu Toyota Prius pozyskały licencje na część patentów Ovshinskiego, ale w głównej mierze posłużyły się rozwiązaniami nieobjętymi jego patentami. Dziś większość patentów Ovshinskiego dotyczących baterii NiMH wygasła lub nie reprezentuje szczytowego stanu techniki.

Stanford Ovshinsky zmarł w 2012 roku – doczekał komercyjnego wykorzystania wielu swoich pomysłów i wynalazków, ale jeszcze nie memrystorów. W tym samym roku Panasonic rozpoczął sprzedaż mikrokontrolera z pamięcią rezystywną (więcej informacji na dalszych stronach). Oczywiście Ovshinsky nie był jedynym ojcem większości ze wspomnianych wynalazków. Moglibyśmy wymienić dziesiątki i setki nazwisk badaczy odkrywających podstawy, na których opierał się Ovshinsky, albo alternatywne, bardziej praktyczne rozwiązania. Niezależnie od wkładu naukowego w dziedzinę, o której będziemy mówić, Stanfordowi Ovshinskiemu zawdzięczamy przede wszystkim uparte dążenie do opracowania praktycznych zastosowań tych zjawisk. Samo skupienie wokół niego kapitału zainwestowanego w badania bez wątpienia posunęło naprzód nie tylko naukę, ale przede wszystkim biznes elektroniczny.

Strona:
KenjiroZobacz profil
Poziom ostrzeżenia: 0%
Kenjiro2019.05.21, 18:28
20#1
Bardzo ciekawy artykuł, który wyjaśnia wiele kwestii, dzięki!

PS. Chętnie bym ocenił na 5, ale nie mam jak...
WildCatZobacz profil
Poziom ostrzeżenia: 0%
WildCat2019.05.21, 18:45
Bardzo dobry text! Oby tak dalej.
Jacek B.Zobacz profil
Poziom ostrzeżenia: 0%
Jacek B.2019.05.21, 18:54
11#3
Ja cię kręcę... dawno nie czytałem tak interesującego artykułu. Świetna robota, proszę więcej takich.
skarkoZobacz profil
Poziom ostrzeżenia: 0%
skarko2019.05.21, 20:06
-4#4
.
Edytowane przez autora (2019.05.21, 20:07)
KwantZobacz profil
Poziom ostrzeżenia: 0%
Kwant2019.05.21, 22:54
Kenjiro @ 2019.05.21 18:28  Post: 1204057
Bardzo ciekawy artykuł, który wyjaśnia wiele kwestii, dzięki!

PS. Chętnie bym ocenił na 5, ale nie mam jak...


No właśnie, gdzie tu w nowym layoucie są gwiazdki do oceniania?

Chyba pierwszy raz w tego typu artykule widzę cytowania literatury!!! Brawo autor (Mateusz Brzostek)!!!
KwantZobacz profil
Poziom ostrzeżenia: 0%
Kwant2019.05.21, 22:54
Kenjiro @ 2019.05.21 18:28  Post: 1204057
Bardzo ciekawy artykuł, który wyjaśnia wiele kwestii, dzięki!

PS. Chętnie bym ocenił na 5, ale nie mam jak...


No właśnie, gdzie tu w nowym layoucie są gwiazdki do oceniania?

Chyba pierwszy raz w tego typu artykule widzę cytowania literatury!!! Brawo autor (Mateusz Brzostek)!!!
XenothZobacz profil
Poziom ostrzeżenia: 0%
Xenoth2019.05.22, 10:56
Czy to zdanie jest aby na pewno poprawne? :
'Waga synapsy zmniejsza się, jeśli nadchodzące sygnały są znacznie częstsze niż wcześniej, i zwiększa, jeśli zaczyna być pobudzana częściej.'

Świetny artykuł, gratuluję autorowi.
Makavcio2Zobacz profil
Poziom ostrzeżenia: 0%
Makavcio22019.05.22, 11:45
Xenoth @ 2019.05.22 10:56  Post: 1204124
Czy to zdanie jest aby na pewno poprawne? :
'Waga synapsy zmniejsza się, jeśli nadchodzące sygnały są znacznie częstsze niż wcześniej, i zwiększa, jeśli zaczyna być pobudzana częściej.'
Tak. Chodzi o to, że jeśli dana ścieżka jest wykorzystywana często, pobudzenie tą drogą wymaga mocniejszego bodźca dla tego samego efektu. Jeśli z kolei ścieżka jest wykorzystywana rzadziej, słabszy bodziec wystarczy do jej pobudzenia.

Innymi słowy, człowiek może się do wszystkiego przyzwyczaić :E

Przyłączam się też do laudacji dla autora. Dzieło wybitne.

A usunięcie gwiazdek jak najbardziej słuszne. Kiedyś nawet pisałem, jak znikomy sens ma ich istnienie w dzisiejszych czasach hehe
mbrzostekZobacz profil
Poziom ostrzeżenia: 0%
Autor publikacjimbrzostek2019.05.22, 11:51
Miało być 'rzadziej' zamiast ostatniego słowa. Już poprawiłem.

Co do gwiazdek: bardzo dziękuję za dobre słowo. Możecie wysłać gwiazdki pocztą na adres redakcji :E
Edytowane przez autora (2019.05.22, 11:51)
FennRarZobacz profil
Poziom ostrzeżenia: 0%
FennRar2019.05.23, 17:26
Świetny artykuł, choć nawet mi, mimo wykształcenia w elektronice ciężko było czasem co nieco ogarnąć
Zaloguj się, by móc komentować
1