Мозгоподобные атомные переключатели заменят полупроводники

Москва, 11:03, 24 Ноя 2017, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Спустя более 12 лет после их изобретения в Японии, атомные коммутаторы, которые могут заменить полупроводники в компьютерных чипах, теперь почти готовы к практическому применению. Эти энергоэффективные механизмы создадут революцию в информационных технологиях.

Если быть точным, коммутаторы, как ожидается, приведут к созданию нейроморфного чипа — чипа со свойствами, подобными нейронам в мозге. Такие устройства могут принимать решения так же, как люди.

Корпорация NEC приступила к производству образцов небольшого энергосберегающего и высокопрочного чипа с атомными коммутаторами. Японский производитель электроники объявил в октябре, что в чипе реализована технология атомного переключения, названная NanoBridge. Ожидается, что ежемесячное производство его в Японии составит до 5000 единиц.

Помимо поставок образцов, NEC планирует провести тестирование в космосе, чтобы проверить восприимчивость нового чипа к радиации. Благодаря металлической проводке, атомные переключатели редко отказывают из-за излучения и электромагнитного шума.

Назад к истокам

Чтобы понять масштабы этого технологического скачка, нужно вникнуть в некоторые основы.

Обычные полупроводниковые чипы используют транзисторы в качестве переключателей для включения и выключения электрических сигналов. Эти работы контролируют движение электронов.

Атомные переключатели, с другой стороны, работают, контролируя движение атомов. Электрические сигналы включаются и выключаются через металлические кластеры, а не через электрические заряды.

Атомные переключатели не используют полупроводниковые материалы, такие как кремний. Вместо этого они используют электроды из металлов, таких как медь, вместе с твердыми электролитами. Несмотря на различия, производственный процесс для кремниевых чипов аналогичен процессу для атомных коммутаторов.

Как и предыдущие FPGA, новый чип NEC может быть настроен пользователями для удовлетворения их требований. Но новый чип в 3 раза меньше его предшественников, поскольку коммутаторы меньше, а технология устраняет необходимость в статической памяти с произвольным доступом или SRAM — энергонезависимой памяти, которая не нуждается в постоянной мощности.

Новая микросхема FPGA также примерно в 10 раз более энергоэффективна, чем предыдущие модели, поскольку она имеет более короткий путь подключения и не требует резервного питания.

Рожденные в Японии

Технология атомных коммутаторов была создана в Японии. Среди ключевых фигур были Масакадзу Аоно, Цуёси Хасегава и Казуя Терабе из Национального института материаловедения.

Технология, которую они разработали, работает следующим образом: атомный переключатель состоит из твердого электролита и металлического электрода. Между двумя электродами имеется зазор около 1 нанометра.

Когда к металлическому электроду прикладывается отрицательное напряжение смещения, атомы металла наносятся на поверхность электрода твердого электролита, что приводит к образованию сосульки-подобного металлического кластера между двумя электродами, который включает переключатель.

Металлический кластер, «торчащий» из твердого электролита, имеет размер нескольких атомов. Когда он достигнет противоположного металлического электрода, переключатель включается. Атомный переключатель работает, контролируя движение всего нескольких атомов.

Когда к металлическому электроду прикладывается положительное напряжение смещения, осажденные атомы металла растворяются в твердом электролите, что приводит к аннигиляции металлического кластера между двумя электродами для выключения переключателя.

Атомные коммутационные микросхемы могут заменить все полупроводники, включая чипы памяти.

Даже когда питание отключено, устройства атомного коммутатора не теряют данные. Именно поэтому ожидается, что в будущем технология превратится в энергонезависимую память, такую как flash.

Терабе, один из разработчиков, уделяет особое внимание еще одному уникальному свойству атомных коммутаторов: их сходство с мозгами.

Металлический кластер, который простирается от электрода твердого электролита к металлическому электроду, подобен синапсу мозга, расширяющемуся, соединяющему нейроны и тем самым образуя нейронную цепь, организуя память организма.

Человек имеет как долгосрочные, так краткосрочные, или временные воспоминания. Аналогичным образом, устройство атомного переключения может выражать различия в краткосрочных и долгосрочных воспоминаниях.

«Существует вероятность того, что он будет использоваться как нейроморфный чип, который имеет сходные функции с нейронной сетью мозга или как устройство принятия решений, которое может принимать решения, как человек», — говорит Терабе.