Ученые из Сингапура и Германии совместными усилиями создали микросхему резистивной памяти, которая не только обеспечивает хранение данных, но и выступает в роли компьютерного процессора.

Прорыв, обещающий привести к появлению еще более быстрых и компактных мобильных устройств, совершен благодаря весьма перспективной технологии резистивной памяти с произвольным доступом (Resistive switching Random Access Memory, ReRAM), переключение состояний в ней реализуется на основе окислительно-восстановительных реакций. Сегодняшние компьютеры вынуждены постоянно перемещать данные из оперативной памяти в процессор, который выполняет необходимые вычисления, и обратно. Из-за этого не только снижается производительность, но и увеличивается энергопотребление.

«Такой подход напоминает долгую беседу через маломощный транслятор, когда приходится тратить дополнительные усилия и время, — пояснил доцент Наньянского технологического университета в Сингапуре Анупам Чаттопадья. — Теперь же у нас появилась возможность увеличить мощность транслятора, а значит, данные будут обрабатываться быстрее».

Помимо того что новая схема экономит время и энергию, исключив пересылку данных между разнородными подсистемами хранения и процессорами, она еще и повышает по крайней мере вдвое скорость обработки данных в портативных компьютерах и мобильных устройствах.

Перекладывание на микросхемы памяти вычислительных задач еще и экономит место, ведь из устройства изымается процессор. Следовательно, появится еще более тонкое, компактное и легкое электронное оборудование. Откроются возможности и для новых дизайнерских решений в области потребительской электроники и носимых устройств.

Исследователи из Наньянского технологического университета работали совместно со своими коллегами из Рейнско-Вестфальского технического университета Аахена и Юлихского исследовательского центра. Полученные результаты опубликованы в журнале Scientific Reports.

Память ReRAM, известная также под названием «мемристор», разработана при участии глобальных производителей микросхем, в том числе SanDisk и Panasonic. Чипы памяти ReRAM — одни из самых быстрых на рынке и уже доступны для приложений Интернета вещей. В 2015 году компании Hewlett-Packard и SanDisk анонсировали соглашение о совместной разработке разновидности памяти SCM (Storage Class Memory) ReRAM, которая могла бы прийти на смену традиционной памяти DRAM, обещая тысячекратное увеличение производительности по сравнению с флеш-памятью NAND.

До того как был создан мемристор, ученым были известны только три базовых элемента — резистор, конденсатор и индуктор. Мемристор стал четвертым и потребляет гораздо меньше энергии.

На протяжении многих лет память ReRAM разрабатывалась для технологий хранения, но Чаттопадья совместно с профессором Университета Аахена Райнером Вазером и Викасом Рана из Юлихского исследовательского центра впервые сумели продемонстрировать, что на ее основе можно организовать и обработку данных.

«Задача ускорения обработки является одной из самых насущных в мировой компьютерной индустрии, поскольку программное обеспечение становится все более сложным, а объемы данных, циркулирующие в ЦОД, постоянно увеличиваются», — говорится в совместном сообщении исследователей.

Троичная система исчисления

Сегодня компьютерные процессоры используют двоичную систему исчисления: данные кодируются последовательностями из нулей и единиц.

В прототипе схемы ReRAM, предложенной Чаттопадья и другими исследователями, не два, а три состояния, что позволяет представлять и обрабатывать данные в троичной системе исчисления.

«Поскольку при хранении элементарных ячеек данных ReRAM использует различные уровни электрического сопротивления, количество состояний можно увеличить еще и выйти тем самым за рамки ограничений, сдерживающих рост производительности традиционных архитектур», — подчеркивают исследователи.

Ученые планируют разработать память ReRAM, которая поддерживала бы более трех нынешних состояний, что приведет к дальнейшему увеличению скорости вычислений.

Использование ReRAM для вычислительных операций представляется более эффективным с точки зрения затрат по сравнению с другими перспективными компьютерными технологиями.

«Благодаря использованию памяти не только для хранения данных, но и для их обработки открываются совершенно новые пути к повышению эффективности энергопотребления в информационных технологиях», — заявил Вазер.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями

Купить номер с этой статьей в PDF