1.5 Застосування мемрісторів
Описані властивості мемрістора дають можливість застосовувати його в якості перемикача елемента пам'яті і складовою логічного елемента.
Вже створені прототипи пристроїв, які реалізують таке застосування. Вони засновані на архітектурі, що одержала назву "кроссбари" (англ. crossbars) [2].
Кроссбар являє собою набір паралельних проволок шириною близько 50 нм (будемо називати їх нанопроволками), які перетинаються іншим набором нанопроволок. Між ними знаходяться прокладки з матеріалу,який під дією прикладеної напруги може змінювати свою провідність (рис.1.6).
Кроссбар-пристрої мають ряд виграшних особливостей . Регулярна структура з пересічних нанопроволок робить їх виготовлення досить простим, особливо в порівнянні зі складною структурою сучасних процесів на основі КМОП-технологій. Кроссбари можна виготовляти з різних речовин і з використанням різних процесів. Це дозволяє максимально гнучко адаптувати відпрацьовані архітектурні рішення до нових матеріалів. Нарешті, що не менш важливо, на основі єдиної архитектури і єдиних елементів можна реалізувати пам'ять, логіку та межз`єднання.
В якості прокладок між кроссбарами були задіяні різні матеріали, однак з появою мемрісторів саме останні стали застосовувати для цієї мети. Подальші дослідження показали, що мемрістори дуже вдало "вписалися" в кроссбар- системи.
Кроссбари забезпечують високу щільність розміщення логічних вентилів і комірок пам'яті. Нещодавно компанія HP оголосила про те, що вона розробила архітектуру, дозволючу використовувати багато шарів кроссбарів ,за рахунок цього можна в рази збільшити щільність пам'яті, а також відношення продуктивність енергоспоживання. Чіпи з такою архітектурою отримали назву "наносховища" (nanostores) [2].
Рисунок 1.6 – Кроссбар-система
У HP вважають, що наносховища повинні стати основої майбутніх комп'ютерів, у тому числі серверів.
Пам'ять на основі мемрісторів може замінити і використовувану сьогодні флеш-пам'ять. У HP розраховують, що до 2013 року щільність "мемрісторної" пам'яті вдасться довести до 20 Гбайт/см^2, що буде в два рази більше, ніж очікувана до того часу щільність флеш-пам'яті [2]. А оскільки жорсткі диски в комп'ютерах вже зараз активно замінюють носіями на основі флеш-пам'яті, то можна очікувати, що пам'ять на мемрісторах стане єдиним типом комп'ютерної пам'яті. Завдки властивостям мемрістора, такі комп'ютери можна буде вимикати і включати в будь-який момент, не витрачаючи час на перезавантаження .
Принципова відмінність мемрістора від більшості типів сучасної напівпровідникової пам'яті і його головна перевага перед ними полягають у тому, що він не зберігає свої властивості у вигляді заряду. Це означає, що йому не страшні витоки заряду, з якими доводиться боротися при переході на мікросхеми нанометрових масштабів, і що він повністю енергонезалежний. Простіше кажучи, дані можуть зберігатися в мемрісторі до тих пір, поки існують матеріали, з яких він виготовлений. Для порівняння: флеш-пам'ять начитає втрачати записану інформацію вже після року зберігання без доступу до електричного струму.
Конструктивно мемрістори значно простіші флеш-пам'яті: вони складаються з тонкої 50-нм плівки, що складається з двох шарів - ізолюючого діоксиду титану і шару, збідненого киснем. Плівка розташована між двома платиновими 5-нм електродами. При подачі на електроди напруги змінюється кристалічна структура діоксиду титану: завдяки дифузії кисню його електричний опір збільшується на кілька порядків (в тисячі разів). При цьому після відключення струму зміни в комірці зберігаються. Зміна полярності струму який подається перемикає стан комірки, причому, як стверджують в HP, число таких перемикань не обмежене.
Вже вивчені властивості мемрісторів дозволяють говорити про те, що на їх основі можна створювати комп'ютери принципово нової архітектури, які по продуктивності значно перевищують напівпровідникові. Сучасні комп'ютери побудовані на базі архітектури фон Неймана: і дані, і програми зберігаються в пам'яті машини в двійковому коді, причому обчислювальний модуль відділений від пристроїв зберігання, а програми виконуються послідовно, одна за одною. Прогресивна в середині минулого століття, така архітектура сьогодні вже не відповідає вимогам, що пред'являються до комп'ютерної техніки: програми стали набагато складнішими, а обсяги оброблюваних даних виросли на порядки, якщо не в десятки порядків.
У мемрісторному комп'ютері паралельно і незалежно один від одного працюють безліч модулів, а можливість запам'ятовувати і оперувати необмеженою кількістю значень від 0 до 1 означає, що виконувані програми не обмежені двійковим кодом. Більш того, стануть в принципі непотрібними окремі апаратні компоненти комп'ютера - процесори, відеочіпи, пам'ять і жорсткі диски; машина буде архітектурно однорідним пристроєм, де одночасно будуть зберігатися всі дані і проводитимуться усі операції з ними.
Якщо прогнозами і планами компанії HP призначено буде збутися, то вже в недалекому майбутньому ми зможемо побачити комп'ютери нового типу. Вони будуть мати зовсім іншу архітектуру, створюватися з абсолютно інших матеріалів і по абсолютно новим технологіям, поєднувати малі розміри і високу продуктивність, споживати мало енергії і не вимагати часу на завантаження [2].