Новейшие схемы: мемристоры  
В  таких случаях  мемристоры могут прийтись как раз к месту.
Это первые принципиально новые электронные компоненты после  кремниевых транзисторов, созданных  в 50-х годах прошлого  века.  Мемристоры  оказались  более  скоростной  и  долговечной, а также  потенциально более дешевой альтернативой флэш-памяти. А еще они в  2  раза более емкие -- настоящее раздолье для любителей музыки.
«Если мы решим  сейчас  пересмотреть технологию производства компьютеров,  то будем  просто обязаны использовать мемристорную память,  --  считает Р. Стенли Уильямс, ведущий исследователь и глава группы квантовых исследований (Quantum Science Research, QSR) HP Labs в Пало-Альто, Калифорния. -- Это фундаментальная структура для будущей электроники».
  О мемристоре,  другими словами -- резисторе  с памятью, впервые упомянул профессор Калифорнийского университета Леон Чу еще в 1971  г.  Но мемристорные прототипы HP Labs не демонстрировались публично вплоть до 2008  г. 
  Компания HP для  создания мемристоров использует чередующиеся слои диоксида титана и платины. Под электронным микроскопом они выглядят как серии длинных параллельных выступов, образующих «кубики» с размерами ячеек  2х3  нм.  Главное здесь заключается  в том, что два  любых  соседних элемента можно соединить с электрическим переключателем под поверхностью, создавая ячейку памяти. Изменяя напряжение, прилагаемое к  таким «кубикам»,  ученые могут открывать и закрывать крошечные электронные переключатели,  так же  сохраняя данные, как  и  в традиционных чипах флэш-памяти.
Новый тип памяти получил название ReRAM (Resistive Random Access Memory).  Эти  чипы не только позволяют сохранить вдвое больше данных, чем флэш, но и работают в  1000  раз  быстрее. А еще они  выдерживают до 1 млн. циклов  перезаписи  по сравнению со 100 тыс.  циклов перезаписи у стандартной флэш-памяти. Кроме того, ReRAM читает и записывает данные на сравнимых скоростях, тогда как флэш-памяти требуется для записи  данных гораздо больше времени,  чем для чтения.
 Южнокорейская  компания Hynix  и HP  заключили договор о  сотрудничестве, чтобы  наладить массовое производство чипов ReRAM,  которым найдется применение  во многих портативных устройствах,  в частности в мультимедийных плеерах.  А ведь это означает терабайты музыкальных треков, видео и электронных книг! Первые продукты с новыми чипами памяти ожидают на рынке в 2013  г. 
Также  ReRAM придет на смену динамической оперативной памяти в компьютерах. Поскольку она  энергонезависима, то  не будет терять информацию при выключении системы и не будет расходовать электроэнергию, в отличие от DRAM. По мнению Уильямса, грядет эра мгновенной обработки данных.  Сейчас  пользователи чаще не выключают компьютеры, а отправляют их в спящий режим. Но все равно для «пробуждения» компьютерной технике требуется от нескольких секунд до минуты, и лишь после этого доступ к данным будет восстановлен. Устройства, использующие ReRAM,  мгновенно  возвращаются в рабочее  состояние. 
Более того, по словам Уильямса, есть возможность размещать массивы мемристоров внутри чипа один над другим. Это путь к созданию  3D-памяти, позволяющей  более рационально использовать пространство внутри  чипа и  вмещать гораздо больше памяти в одинаковый физический объем.
«Не существует фундаментальных ограничений на количество слоев, которые мы можем произвести, -- объясняет Уильямс. -- В ближайшие 10 лет мы можем создать чипы с объемом памяти в петабайт». Это миллион гигабайтов памяти,  и  его достаточно для хранения видео высокой четкости, которого хватило бы на год просмотра.  При этом сам чип размером не больше ногтя.
«Память -- лишь  одна из возможностей применения мемристоров,  и  далеко не единственная. У  данной  технологии гигантский потенциал»,  --  считает Сейлер(а это кто?????).
В ближайшие 20 лет дизайн компьютеров может быть пересмотрен. В 2010  г.  исследователи из HP обнаружили, что мемристоры  допустимо  использовать не только для хранения  данных, но и для логических вычислений. Значит,  теоретически обе эти функции  можно реализовать  на одном чипе.
И опять слово Уильямсу: «Один мемристор способен заменить множество схем,  что,  в свою  очередь,  позволит упростить архитектуру, дизайн и работу компьютеров». Например, один мемристор  заменит  шесть транзисторов, используемых для создания статичных ячеек RAM в кэш-памяти процессора.
По мнению Уильямса, мемристорная технология  даст возможность  даже создать искусственные нейронные синапсы,  имитирующие  работу мозга.  В наши дни  это  кажется  лишь  отдаленной перспективой,  но,  главное,  в принципе  возможной. 
«Мемристоры имеют все шансы переписать правила электроники», --  полагает  Супратик Гуха (Supratik Guha), директор департамента физических наук IBM. Однако, по его мнению, технология требует дальнейшего совершенствования. «Они могут иметь потенциал в качестве элементов памяти, -- добавляет он. -- Но, как и при использовании любой другой технологии, до того как бежать,  вначале следует  ползти, а затем идти». 
Другими словами, мемристорные технологии не  возникнут  неожиданно. Пройдет еще много времени, прежде чем мемристоры станут столь же широко распространенными, как DRAM или флэш-память.

Первую часть материала читайте в прошлом номере журнала.
 

Изменяемые чипы: программируемые слои
От самых скоростных процессоров  перейдем  к самым миниатюрным модулям памяти. Почти все чипы, используемые в современной электронике, имеют одну общую черту: их активные элементы находятся в  верхем слое кремния, толщина которого не превышает 2% от всей толщины слоя..
В ближайшие несколько лет ситуация изменится, так как производители будут стараться втиснуть в вертикальные слои как можно больше  компонентов.  Некоторые производители, такие как Intel, используют технологии склеивания отдельных чипов, а ученые из Университета Рочестера создают многослойные  3D-структуры  внутри чипов.  Как  считает Гуха из  IBM, оба подхода очень сложные и дорогие. Конечно, хорошо  было  бы  заставить чипы перестраивать свою схему «по требованию», чтобы иметь несколько слоев активных элементов. Такая идея, воплощенная  в технологии Spacetime  компании Tabula, была применена  в архитектуре чипов ABAX.
Вместо  того  чтобы намертво впечатывать в кремний несколько слоев постоянных  компонентов,  ABAX использует перепрограммируемые схемы,  способные  изменять функции в зависимости от требований пользователя.  В настоящее время  чипы производителя Tabula содержат  восемь  разных слоев, свойства которых можно  варьировать  в мгновение ока.
«Это выглядит  почти так же,  как супермаркет с восемью этажами,  --  объясняет Стив Тиг, президент и глава по технологиям компании Tabula. -- Чтобы перемещаться между  этажами,  вы пользуетесь эскалатором». Но вместо  того  чтобы создавать восемь отдельных физических этажей с собственной структурой и ассортиментом товаров, Tabula продемонстрировала способ сделать единый слой (или этаж), который можно переконфигурировать в зависимости от  решаемых  задач.
«Это можно сравнить с  ситуацией, при которой в то время,  пока покупатель находится на эскалаторе, кто-то  перестраивает этаж таким образом,  чтобы создать нужный уровень с нужными продуктами,  -- разъясняет  Тиг. – Обстановка за пределами эскалатора выглядит так, будто покупатель находится на восьмом этаже, но на самом деле этаж один, просто  он изменился  в соответствии с его потребностями».
Перепрограммирование чипа в рабочее состояние занимает всего 80 пикосекунд,  т.е. оно происходит  в 1000 раз быстрее цикла вычислений обычного чипа. Таким образом, слои меняются практически  на лету,  пока чип находится в ожидании следующей цепочки команд.
  Следовательно,  чипы ABAX позволяют сделать больше с меньшими затратами.  Выполненные  с использованием традиционной технологии производства полупроводников, чипы Tabula ABAX обходятся  изготовителю  примерно в ту же сумму, что и  обычные. При таком дизайне  по-прежнему  применяются лишь  верхние слои чипа, но  каждый из них выполняет функции восьми различных чипов. По словам Тига, технология позволяет увеличить плотность схем в  2  раза, а память и пропускную способность видео -- в  3,5  раза.
  Сейчас  Tabula сконцентрировала усилия на производстве чипов для специальных  целей, являющихся настоящими «рабочими лошадками»  нашего времени. Они  применяются,  например, в беспроводных маршрутизаторах или оборудовании для вышек сотовой связи.
В  дальнейшие планы  Tabula  входит  наладить производство чипов для популярных электронных устройств -- цифровых камер, игровых  консолей и,  быть  может,  даже полноценных компьютеров.  Чипы с 8-слойным дизайном  уже  запущены  в массовое производство, и сейчас Tabula работает над созданием 12-слойной версии с перспективой увеличения  числа  слоев до 20.
«Не существует ограничения на количество слоев, которые мы могли бы интегрировать»,  -- заявил  Тиг.

Печатные схемы: бюджетные чипы
Стандартная технология производства полупроводников включает  несколько  сложных  этапов. Они  изготовляются в  совершенно  чистом помещении, где нет разрушительной для электроники пыли и загрязняющих веществ. Компания Xerox применяет более простой и дешевый способ производства электроники путем печати схем на пластиковой основе. Технологический процесс подразумевает использование оборудования, которое может стоить тысячи долларов, но  это  не миллиарды, необходимые для развертывания традиционного завода для производства процессоров.
«Обычные электронные элементы -- быстрые, маленькие и дорогие, --  объясняет  Дженифер Эрнст, бывший директор по развитию бизнеса лаборатории Xerox PARC в Пало-Альто, Калифорния.  --  Печатая их непосредственно на пластик, PARC делает электронные элементы медленными, большими и дешевыми».
Технологический процесс печатания схем, разработанный PARC, требует немногим больших усилий, чем, например, распечатка обычной картинки. Все, что для этого  нужно, -- специальные  материалы  вроде серебряных чернил, а сама схема наносится на гибкие полиэтиленовые пластины, а не на хрупкий кремний. В принципе конечный продукт даже сложно назвать чипом.
  Адаптируя различные технологии  печати, включая впрыскивание чернил, штамповку и трафаретную печать,  компания  PARC производит усилители, батареи и переключатели  существенно  менее дорогие, чем  изготовленные  традиционным способом. А недавно  ей  удалось наладить производство 20-разрядной памяти и контроллеров, которые появятся в продаже уже в следующем году.
Другой интересный проект на основе печатных схем -- детектор  взрывов. Его  PARC разработала для Управления перспективного планирования оборонных научно-исследовательских работ США (U.S. Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA). Гибкие печатные схемы встраиваются в военные каски, где новые сенсоры измеряют давление, мощность звука, ускорение и освещенность в условиях боевых действий.
Проведя неделю на передовой, солдат возвращается и сдает каску в специальную лабораторию, где полученные данные тщательно анализируются, и врачи делают вывод о  вероятности  наличия травм головного мозга. Такие датчики хорошо выполняют свою работу, а стоят менее  1 долл.,  в  то время как  один традиционный  сенсор обходится в 7 долл. 
Конечно же, печатные схемы совершенно  не способны конкурировать с кремнием, когда речь идет о быстродействии или возможности «упаковать» в малый объем миллиарды транзисторов. Но существует много областей применения, где стоимость гораздо важнее быстродействия.  Так,  в начале 2012  г.  печатные схемы начнут применять в игрушках и электронных играх, требующих простейшей обработки  данных, -- например,  в  синтезаторах речи, а также для управления подушками безопасности в автомобилях.
Уже к 2015  г.  печатные схемы  появятся  и в других электронных продуктах -- гибких ридерах электронных книг, которые можно будет сворачивать в  трубку  наподобие бумажных журналов, или для производства одежды из специальных тканей с солнечными элементами, с помощью которой можно будет подзаряжать мобильный телефон или музыкальный плеер.
По прогнозам аналитической фирмы IDTechEx, объемы продаж гибких печатных схем возрастут с  1 млрд. долл.  в 2010  г.  до  45 млрд. долл.  в 2016  г.  Они найдут применение в  самом  широком спектре устройств.

Купить номер с этой статьей в PDF
3536