У нашій свідомості революція пов’язана з великими масами людей, які штурмують або Бастилію, або царські палаци. В крайньому випадку — з мирним стоянням на головній площі країни. Такі революції Маркс називав локомотивами історії. Важко сказати, куди відвезли людей ці локомотиви. У соціальних революціях зазвичай проливалися моря крові, їх супроводжували голод, хвороби, війни. Але були, є і будуть революції тихі, не завжди помітні сучасникам, але від цього не менш значущі для людства. Вони сильно змінювали навколишній світ, суспільне життя, та й саму людину.
Напередодні Різдва 1947 року топ-менеджерів компанії Bell Telephone Laboratories запросили на демонстрацію нового приладу, відкритого приблизно тиждень тому. З маленького циліндрика відходили три дроти до джерела живлення, кількох резисторів і осцилографа, на екрані якого було чітко видно, як різко збільшується сигнал, що подається на вхід демонстрованого приладу. Один із творців — Уолтер Браттейн — зачитав декілька рядків із лабораторного журналу випробувань, після чого демонстрація була закінчена. За словами очевидців, фізіономії заступника директора з науки Ральфа Боуна й експерта лабораторії Харві Флетчера були досить кислими. Ймовірно, вони чекали розповідей про величезний економічний ефект і казкові перспективи, а побачили на екрані всього лише криву посиленого електричного сигналу. Так увійшло до життя відкриття, напевно, друге за значимістю після того, як за 70 років до цього Олександр Белл покликав свого асистента через перший у світі телефон: «Містере Уотсон, ви мені потрібні».
Наприкінці червня 1948 року відбулася презентація публіці нового приладу, що отримав назву транзистор (скорочення від двох слів: transfer — переносити, resistor — опір). Реакція преси була, м’яко кажучи, млявою. На 46-й сторінці газети The New York Times від 1 липня 1948 року в розділі «Новини радіо» після звістки про те, що замість щотижневої програми «Радіотеатр» ітиме серіал «Наша міс Брукс», була розміщена коротка замітка. У ній повідомлялося, що «вчора в лабораторії Белла був продемонстрований новий прилад під назвою транзистор, призначений для заміни вакуумних трубок і ламп... Напівпровідник підсилює струм, що підводиться до нього одною дротиною, а інша відводить посилений струм». Того ранку було занадто багато інших новин, аби народження транзистора було помічене. Починалася блокада Берліна, розгоралася холодна війна.
Приблизно за 2,5 роки до презентації транзистора сталася взагалі маловідома на той час подія — в Лабораторії балістичних досліджень армії США була запущена перша ЕОМ «ЕНІАК» (ENIAC — скор. від Electronical Numerical Integrator and Calculator — Електронний числовий інтегратор і обчислювач). Це був перший електронний цифровий обчислювальний пристрій, який можна було перепрограмувати для вирішення широкого кола завдань. Варто зауважити, що це була не цілком ЕОМ у сучасному розумінні цього слова, а електронний калькулятор. За тодішньою термінологією, електронний арифмометр. «ЕНІАК» представляв величезну споруду довжиною 26 м, заввишки 6 м і масою 27 т, що мала майже 20 тисяч електронних ламп і споживала потужність 150 кВт. З ЕОМ і комп’ютером його ріднила можливість перепрограмування та універсальність. Так почалася інформаційна революція, що дала нам те, без чого життя сучасного суспільства просто неможливе: від інтернету до мобільного телефону.
Дивлячись на ноутбук, важко уявити, що його прародитель мав такі габарити. Так само мало хто згадує, що перший мобільний телефон, з якого його винахідник Мартін Купер 3 квітня 1973 року зателефонував своєму конкурентові Джоелю Енгелю, мав вагу до 3 кг і розміри цеглини. Проте те, що було досягненням учора, сьогодні сприймається як істотний недолік. Так, комп’ютери зменшилися в розмірах, споживають значно менше електроенергії, можуть робити дуже багато. Але вимоги зростають і простого нарощування обчислювальних ресурсів уже мало. В першу чергу це стосується пам’яті. Хто не стикався з досить прикрою проблемою, коли велика виконана робота втрачалася через випадковий збій у електроживленні. Час від часу потрібно, наприклад, набраний текст записувати на твердий носій. А нудні хвилини завантаження комп’ютера при його включенні, як і деякий час при його виключенні... Про дискети об’ємом 1,2 і 1,4 Мб ми вже забуваємо. У кишенях ми носимо флеш-носії (англ. flash — спалах), у просторіччі флешки, що мають пам’ять уже 200 Гб. А ще оптичні диски. Начебто проблема упакування значних об’ємів інформації вирішується, але... Флешки мають обмежену кількість циклів перезапису. Час від часу інформацію необхідно відновлювати, оскільки електричний заряд, на ньому заснована пам’ять флешки, з часом зменшується. Оптичний диск теж сиплеться. Проблема довготривалого зберігання інформації не вирішується, а лише відсовується. До того ж подальше збільшення ємкості в цих елементів стикається з технологічними проблемами. Заговорили про межі електронної мікромініатюризації і необхідності переходу до інших типів перемикальних елементів: оптичних, хімічних (молекулярних) тощо. Проте там, де була безвихідь, отриманий черговий прорив у електроніці.
Зі шкільного курсу фізики відомо, що електричний ланцюг складається з комбінації трьох елементів: опору, індуктивності та ємності. Зв’язок між струмом та напругою визначається всім відомим, хоча б за назвою, законом Ома. Зокрема, опір ділянки електричного ланцюга є відношення напруги та струму: R=U/I. При заданій частоті змінного струму аналогічні співвідношення з використанням складніших математичних представлень можна написати для індуктивності L і ємкості C. Всі три елементи є пасивними, оскільки можуть лише розсіювати або нагромаджувати електроенергію, а не підсилювати електричний сигнал. Важливим є і те, що для них не має значення, яким чином енергія в них накопичилася або розсіялася. Інакше кажучи, всі три відомі елементи електричного ланцюга не володіють пам’яттю. Ця обставина викликала необхідність розробки спеціальних пристроїв, спроможних зберігати інформацію на основі активних елементів, зокрема, транзисторів.
Як випливає із закону Ома, електричні параметри кожного з пасивних елементів електричних ланцюгів визначаються лінійними співвідношеннями між двома з чотирьох фундаментальних: силою електричного струму, напругою, зарядом і магнітним потоком. Зв’язок між ними наочно ілюструє прямокутник із двома діагоналями:
З шести можливих рівнянь між величинами у вершинах прямокутника до нещодавнього часу технічно вдавалося реалізувати лише п’ять. Пристрою, який безпосередньо зв’язує заряд Q і магнітний потік Ф, не існувало.
У 1971 р. професор кафедри електротехніки та обчислювальної техніки Каліфорнійського університету в Берклі Леон Чуа, філіппінський емігрант китайського походження, такий зв’язок встановив у вигляді рівнянь квантової механіки. Свою статтю у авторитетному виданні американського Інституту інженерів з електротехніки та радіоелектроніки (IEEE — Institute of Electrical and Electronics Engineers) він назвав вельми інтригуюче: «Memristor — The Missing Circuit Element» — «Мемристор — елемент ланцюга, якого бракує». Але в той час передбачений пристрій реалізувати не змогли. Вирішити завдання лише 2008 р. вдалося групі вчених під керівництвом Стенлі Вільямса з дослідницького центру компанії Hewlett Packard у Пало-Альто. Вони отримали модель пристрою, який зв’язує заряд і магнітний потік: M=Q/Ф. Враховуючи однозначний зв’язок напруги із зарядом, а магнітного потоку зі струмом, ми фактично отримуємо знайомий нам закон Ома. Аналогічно пристрій було названо мемристором (англ. memory resistor — пам’ять+опір).
Принцип дії мемристора пояснив працівник Вільямса, випускник Московського фізико-технічного інституту Дмитро Струков. Пристрій являє собою два шари діоксиду титану завтовшки лише в декілька нанометрів, затиснутих між платиновими електродами. Електропровідність цього напівпровідника залежить від щільності вільних вакансій у його кристалічній гратці, які можуть займати атоми кисню. Зі зростанням числа вакансій вона збільшується, зі зниженням — зменшується. При цьому самі вакансії рухомі, вони можуть мігрувати від одного шару до іншого. Саме це й відбувається під дією електричної напруги — вакансії зміщуються туди, де їх було менше. У результаті опір усіх шарів змінюється.
Наведена формула для мемристора лише за виглядом нагадує закон Ома. Індуктивність, ємкість і опір у його формулі за даної частоти змінного струму є величини постійні. У випадку з мемристивністю (можна перекласти як пам’ятливість) чисельник, знаменник і частка є змінними. Остання обставина має принципове значення, і саме вона відкриває абсолютно нові перспективи в розробці комп’ютерів і засобів зв’язку.
По-перше, мемристор має властивість гістерезису (з грецької — той, що відстає). Його реакція залежить від дії прикладеного не лише в даний момент, а й від того, що було раніше. Пояснюючи цю властивість, Вільямс використовував гідромеханічну аналогію. Коли вода протікає трубою в прямому напрямку, її діаметр збільшується. Якщо потік зупинити, то діаметр труби залишиться збільшеним. При протіканні води в зворотному напрямку діаметр труби зменшується. Причому зміна діаметру може відбуватися стрибкоподібно. Мемристор таким чином реалізує функцію елементу перемикача з 0 на 1 і назад. При цьому мемристор є енергонезалежним. Свій стан він зберігає за відсутності струму.
По-друге, мемристор має лише два виводи, на відміну від транзистора. Це дає можливість зменшити з’єднання в мікросхемі, тим самим ущільнити розміщувані в ній елементи. До того ж збільшується надійність за рахунок меншого числа з’єднань. За попередніми підрахунками в стандартній мікросхемі можна розмістити вдесятеро більше елементів. І це не межа, а нижня межа ущільнення. Класична електроніка робить істотний крок уперед приблизно кожні два роки, досягнувши сьогодні 100-нанометрового (нм) діапазону. Це порівнювано з розміром вірусів, у тому числі й хвороботворних. Сьогодні йде інтенсивна робота, аби зменшити фізичні розміри транзисторів до 25 нм. Проте наближається фізична межа. Мемристори мають розмір не більше 3 нм. Блок із 17 штук має ширину лише 150 атомів, розмір мемристової доріжки менший 10 атомів.
По-третє. Мініатюрні розміри й менше число з’єднань багатократно збільшує швидкодія. Один цикл перемикання здійснюється всього лише за одну наносекунду (нс), тобто за одну мільярдну частку секунди.
«Це не лише винахід, це — фундаментальне наукове відкриття», — прокоментував Леон Чуа досягнення Вільямса і його колег. Учений порівняв історію свого винаходу з відкриттям періодичного закону в хімії. Менделєєв, який розставив елементи за рядками й стовпчиками таблиці, був упевнений, що порожні клітинки з часом буде заповнено. І справді, елементи, яких бракувало, були відкриті в майбутньому. Те ж саме і з мемристором, який був відкритий «на кінчику пера». Аналогічно французький учений Урбен Левер’є та англійський Джон Адамс теоретично передбачили існування планети Нептун, відкритої 1846 р. німецьким астрономом Іоганном Галле. Чуа вважає, що поява мемристора приведе до істотного перегляду фундаментальних принципів у електротехніці. Він пояснює, що досі основоположним вважалося співвідношення між напругою і зарядом (струмом). Проте правильніше розглядати співвідношення між зарядом і швидкістю зміни напруги. Він порівнює нинішню помилку теоретиків із законом руху Арістотеля, який стверджував, що сила, яка прикладається до тіла, має бути пропорційна швидкості. Це положення панувало в фізиці понад 2 000 років, і лише Ньютон своїм Другим законом встановив, що сила пропорційна прискоренню. «Я ніколи не думав, що житиму достатньо довго, аби побачити мемристор», — сказав Чуа.
Які ж перспективи вживання мемристорів? Про одну вельми важливу річ ми вже говорили. Це довготривала незалежна пам’ять. Якщо до такої комірки не звертається центральний процесор комп’ютера, то вона залишається «холодною». Струм через неї практично не протікає, тому не виділяється тепло. Отже, не потрібно витрачати енергію на його відведення. До речі, вентилятори, по-комп’ютерному — кулери, займають значне місце в корпусі комп’ютера.
Якщо елементи пам’яті енергонезалежні й мають високу швидкодію, то спрощується структура комп’ютера. Немає необхідності мати декілька видів запам’ятовуючих пристроїв: довготривалого на накопичувачі на твердому магнітному диску — вінчестері, й оперативного (швидкодіючого). Крім того, для прискорення операцій використовується так звана кеш-пам’ять або надшвидкодіюча (франц. сacher — ховати) — проміжний буфер зі швидким доступом, що містить інформацію, яка з найбільшою ймовірністю може бути запитана швидкодіючою пам’яттю. Із застосуванням мемристорів комп’ютер матиме один вид пам’яті, що значно спрощує його архітектуру й процес обміну інформацією. І найголовніше. Пам’ять буде статичною, тобто на відміну від вінчестера, який, у якійсь мірі, нагадує патефон, лише безконтактний, не матиме частин, які обертаються, а значить — буде надійнішою.
Уже наголошувалося, що мемристори мають значно менші розміри. За даними розробників, уже незабаром на 1 кв. см. можна буде розмістити до 20 Гб пам’яті. В найближчому майбутньому можна чекати появу накопичувачів на мемристорах ємкістю в сотні терабайт, які не потрібно буде, як зараз, охолоджувати рідким азотом (мінус 195,8 градусів). Широко розрекламований інтернет-планшет (iPAD — Internet Tablet) фірми Apple має масу 700 г, а на мемристорах він, можливо, буде не важчий і не товщий за аркуш паперу, а також матиме ще багато функцій.
Взагалі, звичні пристрої або зникнуть, або набудуть абсолютно іншого вигляду. Вже зараз ручний годинник замінює мобільний телефон. Але й він, як окремий пристрій, а фактично це спеціалізований комп’ютер, зникне. Так само, як і звичні телевізори та радіоприймачі. Замість них, як і фото- та телекамер, буде один пристрій — комп’ютер, який візьме на себе всі їхні функції. Підуть у минуле флешки й DVD-диски.
Але й сам комп’ютер зміниться принципово. Не знадобляться блоки безперебійного живлення, оскільки пам’ять стане незалежною. Відповідно, від акумуляторів буде потрібно менше енергії, тому зменшаться їхні розміри. Зникне клавіатура, а комп’ютер прийматиме інформацію прямо з голосу, стане тонким і згинатиметься. Його можна буде носити в кишені, як записник.
Але це зміни, так би мовити, зовнішні. Вільямс вважає, що на основі мемристорів можна створити принципово інший різновид логічних елементів, які міняють структуру в реальному часі. Він дав їм назву: вентиль IMP, від англ. implement — здійснювати. Тоді комп’ютер буде не просто виконувати логічні команди на незмінних електричних схемах, а перебудовувати їх для виконання необхідних функцій. Фахівці Hewlett Packard вже проводять відповідні експерименти.
Буквально революційні зміни, пов’язані з мемристорами, сказаним не обмежуються. Ми розглянули лише їхню спроможність запам’ятовувати інформацію і працювати в режимі перемикання з 0 на 1 і назад. Але цим можливості нових пристроїв не обмежуються.
Мемристор може перебувати в безлічі станів, переходи між якими безперервні. Аналоговий стан пристрою робить його схожим на синапси нервових клітин. Синапс (з грецької — з’єднання, зв’язок) — особлива структура, яка забезпечує передачу нервового імпульсу від нервового волокна на яку-небудь іншу нервову клітину чи нервове волокно. У статті «Cortical Computing with Memristive Nanodevices» — «Мемристивні нанопристрої — аналог мозкової діяльності» працівник лабораторії Вільямса Грег Снайдер передбачає, що мемристори повинні стати «цеглинками», з яких буде побудовано штучний інтелект.
Мемристор — лише перший крок у прориві в електроніці. Ведуться роботи зі створення мемоіндуктивності та мемоємкості. Зараз навіть важко передбачити до яких революційних змін у техніці це приведе найближчим часом.
