De MEMRISTOR nieuw fundamenteel component

Ik wil graag een nieuw fundamenteel electronische component vermelden dat mogelijk van zeer grote invloed gaat zijn, de memristor. We hadden de spoel(inductie), condensator(capaciteit) en de weerstand,na 150 jaar is daar nu de memristor als 4e element bijgekomen.

Symbool van de memristor


Wat maakt nu de memristor nu zo bijzonder?
Het woord zegt het al. Het is een combinatie van geheugen en weerstand. Als de spanning boven de drempelspanning van een speciaal type halfgeleider junctie komt verplaatsen zich ionische ladingsdragers en veranderd de weerstand. Het proces is omkeerbaar dus de weerstand kan zowel verhoogt danwel verlaagt worden naar gelang de stoom door en polariteit over de junctie.
Tot nu toe bestond er geen component die zelfstandig over een geheugenfunctie beschikte. Er zijn altijd combinaties nodig van meerdere componenten zoals in ram-geheugen de combinatie condensator, weerstand en transistor. Dan nog zijn deze combinaties verre van ideaal. RAM geheugen is vluchtig en er is continu stroomverbruik vanwege de refresh. Flash is traag en zelfdestructief, het kan slecht een beperkt aantal malen herschreven worden. SRAM kost veel componenten, 5 a 6 transistors en meerdere weerstanden en ook daar is het geheugen weg als de spanning wegvalt. EEPROM is een combinatie van SRAM en een condensator die heel langzaam zijn lading(geheugen) verliest. Ook hierbij zijn er veel componenten nodig.

Een ideale memristor heeft:
Zeer hoge responstijden, afhankelijk van de migratiesnelheid van de ladingdragers.
Geen zelfdestructie bij herhaalt herschrijven.
Verliest nooit zijn geheugen.

Een ideale memristor bestaat echter niet maar in hoevere wordt die benaderd in de praktijk?
Wat de responstijden betreft zit er nogal een verschil in het schrijven en uitlezen. Bij het schrijven moeten ionische ladingdragers zich verplaatsen en daarbij blijkt het om cm tot meters per seconde te gaan. Dan nog hebben we het over een mogelijk haalbaar nanoseconden bereik. Het uitlezen gaat via de gebruikelijke ladingsdragers, gaten en elektronen en overstijgt het nanoseconden bereik.
Zelfdestructie bij herschrijven treedt op vanwege het gebruik van ionische ladingsdragers zoals ook bij Flash. Het effect kan hier echter veel verder teruggebracht worden, miljoenen tot miljarden herschijvingen lijken tot de mogelijkheden te behoren.
Wat het geheugen betreft zijn er inderdaad substraten die in de praktijk niet merkbaar aan geheugen verliezen. Huidige modellen tonen aan dat ze alle gebruikelijke vormen van geheugen ver overstijgt. Dit omdat de energie die nodig is om de ionische ladingdragers terug te verplaatsen te hoog is om spontaan plaats te vinden.

Wat zijn de voordelen van een memristor?
Het is permanent geheugen.
Laag energieverbruik, zowel bij schrijven als lezen.
Hoge leessnelheid, geen waitstates zoals bij RAM.
Is zowel digitaal als analoog toepasbaar.
Weinig componenten nodig voor een geheugencel.
Een neurale synaps met zeer hoge resolutie is te vervaardigen met slechts 1 transistor en een memristor gekoppeld aan de basisterminal ipv de huidige tientallen transistoren, weerstanden en condensators.

Nadelen:
Het is een nano fenomeen en dus hebben we het over nanometerschaal componenten dientengevolge zijn de stuur en leesstromen zeer gering. Verwacht dus niet te snel dat je een memristor kan kopen in de electronica winkel. Op termijn zal het waarschijnlijk in de vorm van IC's zoals microcontrollers geimplementeerd worden en verkrijgbaar zijn.
Material deformation: Dit is het gevolg van het gebruik van ionische ladingsdragers en is mbv nanoscale microscopen zelfs direct waar te nemen. Er zal een tradeoff zijn tussen de schrijfsnelheid en het aantal malen herhaald herschrijven. Hogere spanningen doen de migratiesnelheid van ionische ladingdragers exponentieel toenemen maar leidt tot versterkte deformatie en dus een lager aantal mogelijke herschrijvingen. Dit blijkt ook sterk substraat afhankelijk te zijn. Si/Ag substraten lijken zeer bruikbaar en zijn al direct toepasbaar in IC fabrieken. De race naar het optimale substraat is nog maar net begonnen.

WikiMemristor
Recente lezing memristor
Er staat een aantal lezing over de memristor in de playlists van citrisuc


Ik denk dat de memristor die bij toeval is ontdekt in HPlabs 1 van de grootste doorbraken is op het gebied van nanotechnologie en electronica van de afgelopen jaren en misschien wel van de komende jaren. Mogelijk vergelijkbaar met de impact van de transistor

[ Bericht 0% gewijzigd door Digi2 op 21-03-2010 16:21:23 ]

quote:

Op zondag 21 maart 2010 19:45 schreef Refragmental het volgende:
http://www.youtube.com/us(...)638C02/3/Z5UTRTOfgo4

In deze lezing uit de OP wordt uitgelegd hoe ze de memristor bovenop de huidige transistor kunnen plaatsen, en niet 1,2 of 3 lagen maar mogelijk duizend lagen.

Het hier aangehaalde voorbeeld gaat over een mogelijke vervanger van flashram. Memristors kunnen niet miljarden xen per seconde herschreven worden zoals in een CPU gebruikelijk is. In minder dan 1 seconde zou hij al defect raken. Directe toepassingen in een CPU zie ik als beperkt tot configuratie switsches welke slechts zelden veranderd worden. Een mogelijke toepassing zouden herprogrammeerbare logic gates kunnen zijn binnen een deel van de CPU. Een soort van FPGA in een CPU. Deze mogelijkheden worden al onderzocht en kunnen tot een sneller en efficienter CPU leiden. Nadeel is dat er een extra interpreter of precompiler nodig zal zijn binnen het Operating System. De instructie CPUID is niet meer afdoende om de software te verduidelijken welke configuraties/instructies ondersteunt worden omdat die telkens kunnen wijzigen. Dan nog is er maar ruimte voor een beperkt aantal herconfiguraties in het geval van een memristorFPGA binnen de levensduur van zo'n CPU.

quote:

Op maandag 22 maart 2010 13:41 schreef Onverlaatje het volgende:
Maar als ik het goed begrijp kan er nu wel een specifiek neuraal netwerk CPU gemaakt worden.
Wat zouden de toepassingen van dergelijke CPU's zijn in het dagelijks leven?
Verbeterde database searches? Een just in time compiler, gebakken in de CPU zelf?

Memristors zijn bijna ideaal voor neurale netwerken en wat het helemaal tof maakt is dat Titaanoxide memristors zelfs biocompatibel zijn. Titaanoxide wordt niet afgestoten, een interface mogelijkheid met biologische neuronen is mogelijk. Neurale netwerken zijn goed in patroonherkenning dus in dergelijke toepassingen zijn ze te vinden. Voor klassieke computers is dat juist zeer lastig gebleken.
Voor database searches zijn goede algoritmes De huidige computers, en zeker multicoresystemen zijn daar sterk in vandaar het succes van zoeksystemen als google etc. Als het er om gaat gezichten te herkennen in een database met foto's, daar zijn juist neurale netwerken sterk in. Neurale netwerken dienen doorgaans getraind te worden of de "gewichten" van de synapsen van de juiste waarden voorzien. Compilers dienen te verdwijnen naar OS niveau of daar zelfs onder. Een programma dient geinterpreteerd te worden naar een specifieke CPU/GPU/IOchipset configuratie. Omdat dat nu nog niet gebeurt is de performance eigenlijk abominabel te noemen tov de hardware mogelijkheden

quote:

Op maandag 22 maart 2010 18:00 schreef Onverlaatje het volgende:

Dan zou er een compiler configuration interface geschreven dienen te worden, zodat een CPU kan vertellen wat de logica achter de instructies is.

Probleem is dat progs gecompileerd aangeleverd worden en om het op verschillende computer confs aan de praat te krijgen zijn diverse libraries zoals DLL's nodig en links naar drivers van GPU's, IOchipset etc.
Dat is verre van optimaal, er ontstaan diverse interface tussenlagen die ook nog een bugs kunnen bevatten.
De juiste weg is. De installer checked de hardware en optimaliseert en compileert ter plaatse de executable naar de eigen conf. Drivers zijn dan niet meer nodig. Er zijn een aantal redenen waarom dit niet gebeurt.
Hardwarefabrikanten willen niet teveel in eigen keuken laten kijken. Vandaar vaak proprietary drivers. ATI/AMD en Intel geven vaak wel inzicht in de sourcecodes aan een selecte groep OS schrijvers zoals LINUX, ATI AMD doet dat pas sinds kort. Men geeft niet graag broncodes uit handen omdat die veel intellectuele ideeen/eigendommen bevatten. De prijs hiervoor is lompe inefficiente progs die ook nog eens buggie zijn. Bovendien zou je een herinstall moeten doen indien je bijv je grafische kaart/GPU vervangt. Dit kan je ondervangen door de compiler/optimiser in je OS te integreren. Die kan dan bij een confchange automatisch opnieuw compileren.

quote:

Op maandag 22 maart 2010 21:46 schreef Onverlaatje het volgende:

De oplossing is dan dat een bytecode compiler generieke (tussen verschillende processoren) code voor te laten compileren naar generieke machinecode en tussen deze code blokken bytecode aan te geven welke hercompileert dienen te worden naar CPU specifieke instructiesets. Zo kan je bedrijfsgevoelige code verdelen tussen blokken processorgenerieke code en te optimaliseren bytecode en zo dus 'obfuscaten' terwijl je wel geoptimaliseerde code laat uitvoeren.

Toch kiezen hardware fabrikanten zoals van GPU's voor zover mij bekend nog niet voor deze weg. De combinatie van bytecode en JIT is zeker een optie die indien op grotere schaal toegepast tot hogere efficientie leidt.

quote:

Op maandag 22 maart 2010 22:38 schreef YuckFou het volgende:

Ik heb sterk het idee dat je hier de transistor sterk tekort mee doet

Tja, de transistor wordt door wetenschappers net als de diode niet beschouwd als een fundamenteel element,
Het is idd de vraag of het terecht is de memristor die status wel toe te dichten. Want een natuurkundige eenheid van memristance is er (nog) niet. Bij de weerstand luidt die in Ohm, Capaciteit in Farad en Inductie de Henry.
Als je het hebt over de impact van de transistor op ons dagelijks leven dan is de transistor zonder enige twijfel component nr1

[ Bericht 0% gewijzigd door Digi2 op 22-03-2010 23:18:27 ]

quote:

Siliciumgeheugen maakt kleiner productieprocedé eenvoudig

Door Willem de Moor, woensdag 1 september 2010 14:13, views: 1.597

De volgende stap naar nog kleinere productieprocedés zou dankzij siliciumgeheugen vrij eenvoudig zijn. Onderzoekers hebben eenvoudige geheugencellen ontwikkeld, die slechts bestaan uit silicium en aansluitingen.

Het nieuwe type geheugen werd ontwikkeld na observaties van dunne stroken grafiet, van ongeveer tien nanomoeter breed. Onder invloed van een stroompuls kon de strook worden gebroken en weer verbonden, wat het equivalent van een geheugenbit vormde. Nader onderzoek wees echter uit dat dit effect niet afhankelijk is van grafiet; ook silicium vertoont dit fenomeen. Aangezien silicium het hoofdbestanddeel van vrijwel alle processors is en goed in halfgeleiderproducten kan worden verwerkt, zou het siliciumgeheugen snel in productieprocessen kunnen worden geïntegreerd.

Het siliciumgeheugen werkt door een laagje siliciumoxide, een elektrische isolator, tussen twee lagen geleidend polykristallijn silicium te klemmen. Bij het aanbrengen van een stroom worden oxide-atomen van het silicium gestript, wat zorgt voor de vorming van geleidende siliciumkristallen. Eenmaal gevormd kunnen deze kristalsporen, net als het grafiet eerder, steeds opnieuw worden verbonden en verbroken. De lagen 'poly' dienen hierbij als elektrodes. Flashgeheugen is complexer en heeft drie elektrodes nodig.

De zo gevormde geheugenbits kunnen bijzonder eenvoudig worden geproduceerd en gezien hun samenstelling laten zij zich eenvoudig in bijvoorbeeld processors verwerken. Bovendien zijn de structuren zeer klein. De kristaldraden zijn tussen de vijf en tien nanometer groot, veel kleiner dan de featuresize waaraan de huidige geheugenproductietechnieken met hun 20 tot 30nm toe zijn. De siliciumoxide-geheugenbits zijn tevens in driedimensionale structuren te stapelen en schakelen in minder dan 100ns. De onderzoekers van de Rice-universiteit werken samen met verschillende bedrijven en hebben al een werkende prototype-geheugenchip met duizend elementen. Deze wordt nu getest.

Tweakers
Sciencedaily

Dit lijkt me een variant van de memristor alleen zo ver doorgevoerd dat het gereduceerde siliciumoxide kortsluiting veroorzaakt. Dat is blijkbaar mogelijk indien de laag siliciumoxide dun genoeg is. Uit onderzoek bij HP labs blijkt zilver/Si substraat superieur qua snelheid en herschrijbaarheid. Raar eigenlijk dat HP labs zelf niet op dit fenomeen gestuit zijn tijdens hun onderzoeken. Wellicht zagen zij de kortsluiting eerder als een "defect" om te vermijden.
Door silicium op te dampen op een metaallaag (meestal aluminium omdat dat niet door het silicium aan de wandel gaat zoals bij koper) en daarna te oxideren ontstaat een polysilicon laag gecoat met een nanolaag Oxide. Deze kan dan met een zilverlaag gecoat worden.
Dat zal wellicht het substraat van de volgende generatie geheugen zijn. Het brillante aan deze ontdekking is trouwens dat polysilicon een werkbare geheugencel opleverd. Hierdoor is stapelling van cellen een eitje. Normaal moet men monokristallijn Si gebruiken dat 1st uit een wafer gezaagd moet worden en intensief bewerkt voordat het gebruikt kan worden.

Hp gaat samenwerken met Hynix. Hynix zal de memristor technologie in produktie gaan nemen.
Ben benieuwd wat de specs gaan zijn van de 1e generatie IC's

Blijkbaar gaat de memristor technologie nu van lab naar fabrikage fase. Er is heel veel mogelijk met dit nieuwe element. Ik bedacht me dat je zelfs meerdere bits kunt opslaan in 1 enkele memristor. Dat kan door gebuik te maken van Schmitt Triggers of comparators. Hiermee kan je een memory controller voorzien van meerdere spanningsdrempel niveau's. De spanning over de memristor is in lineair verband met de weerstand. 8 bits per cel zou prima denkbaar zijn. Wat natuurlijk een enorm geheugen potentiaal opleverd.
De extra electronica levert wel wat extra vertraging op zoals ook bij multi level cell flashmemory (MLC).

De technologie van MLC is al behoorlijk ver mbt flashcellen. Een snelle introductie van deze methode voor memristors is te verwachten. Hieronder een PDF met enige uitleg over MLC versus SLC hier zie je ook het gebruik van de verschillende spanningsdrempels om meerder bits per cell te defineren.
Extra complicerende factoren bij flash. Het gaat hierbij om de floating gate van de Flashcell.
1. Precise charge placement
2. Precise charge sensing

Voor de memristor geldt .
1. Precise resistance placement


www.supertalent.com/datasheets/SLC_vs_MLC%20whitepaper.pdf

Dit geheugen zal dan wel MLMC Multi Level Memristance Cell of MLRC Multi Level Resistance Cell gaan heten

[ Bericht 6% gewijzigd door Digi2 op 13-09-2010 20:46:40 ]

Updated: HP, Hynix plan to launch memristor memory in 2013
Peter Clarke
10/6/2011 11:27 AM EDT

SEVILLE, Spain – The 'memristor' two-terminal non-volatile memory technology, in development at Hewlett Packard Co. since 2008, is on track to be in the market and taking share from flash memory within 18 months, according to Stan Williams, senior fellow at HP Labs.

"We have a lot of big plans for it and we're working with Hynix Semiconductor to launch a replacement for flash in the summer of 2013 and also to address the solid-state drive market," Williams told the audience of the International Electronics Forum, being held here.

A spokesperson for HP added that there is no definitive memristor product roadmap as yet, but confirmed that "HP has a goal to see memristor products by the end of 2013."

Williams said that the memristor metrics being achieved, in terms of energy to change a bit, read, write time, retention and endurance, were so compelling that flash replacement was effectively a done deal. "So in 2014/2015 we'll be going after DRAM and after that the SRAM market," Williams said indicating his confidence that the memristor would quickly become a universal memory.

Williams declined to discuss in detail the process technology, memory capacity or memory-effect material that Hewlett Packard and Hynix are working with. "We're running hundreds of wafers through a Hynix full-size fab. We're very happy with it." But Williams did disclose that the first commercial memory would be a multi-layer device.

When challenged over the cost of the technology, which would be the barrier to competing against the high-volume flash memory market, Williams said: "On a price per bit basis we could be an order of magnitude lower cost once you get the NRE [non-recurring expense] out of the way."

The memristor, named after the combination of memory and resistor, was originally a theoretical two-terminal device for which the electrical behavior was derived by Leon Chua in 1971. However, in 2008 researchers from HP published a paper in Nature that tied the hysterical I-V characteristics of two-terminal titanium oxide devices to the memristor prediction of Chua. "What we found is that moving a few atoms a fraction of a nanometer can change the resistance by three orders of magnitude," said Webb. "In fact many nanodevices have inherent memresistive behavior," he said.

HP has amassed some 500 patents around the memristor over the last three years. He also acknowledged that phase-change memory (PCM), Resistive RAM (RRAM) and other two-terminal memory devices are all memristor-type devices. Williams acknowledged that many other companies are working on metal-oxide resistive RAMs. He said that Samsung now has a bigger research team working on the technology than does HP.

Williams touted the cross-point nature of the memristor memory switch or resistive RAM device as a memory capacity advantage over flash memory. "Whatever the best in flash memory is, we'll be able to double that."

Implication logic and the synapse

Williams compared HP's resistive RAM technology against flash and claimed to meet or exceed the performance of flash memory in all categories. Read times are less than 10 nanoseconds and write/erase times are about 0.1-ns. HP is still accumulating endurance cycle data at 10^12 cycles and the retention times are measured in years, he said.

One of the best things about the memristor memory is that it is a simple structure made using materials that are already common in the world's wafer fabs making CMOS-compatible devices relatively straight forward, he said.

This creates the prospect of adding dense non-volatile memory as an extra layer on top of logic circuitry. "We could offer 2-Gbytes of memory per core on the processor chip. Putting non-volatile memory on top of the logic chip will buy us twenty years of Moore's Law, said Williams.

Further out Williams said the memristor could be used for computation under a scheme called "implication logic" in a fraction of the area taken up in CMOS by Boolean logic. In addition a memristor device is a good analog of the synapse in brain function.

In conclusion Williams stressed that HP would not be getting into the semiconductor components business but would seek to commercialize and then license the technology to all comers

HP-Hynix-to-launch-memristor-memory-2013

quote:

HP moves to revolutionize computing

HP has worked up quite a reputation for being the king of drama over the last several years. However, this week the company shifted the drama where it belongs: with the products.

Yes, HP announced an ARM based server platform targeted at Cloud applications that promises to significantly reduce server costs for companies like Amazon, Google, Facebook and other entities who live off of the web.

Genre classics resurrected as graphic novelsYet, this is just the beginning of a much bigger revolution.

In a session after the announcement, HP Labs talked about the new as the first step to replace processor architectures, networking, and storage as we know it with a fabric based on their unique Memristor technology which is apparently close to initial test fabrication.

This would suggest HP is actually on the cusp of a revolution similar to the transistor. If properly executed, the new paradigm could put the company at the heart of an intense technology storm.

The Problem with Current Architectures

Remember, whether we are talking PCs or servers, the base architecture goes back decades to before there was a web or high speed networks. Repositories were, back in the days of yore, measured in megabytes. Now they are gauged in terabytes, with bottlenecks moving from slow processors, to slow memory, latency and crawling networks. As such, most forms of storage and traditional copper networking has become increasingly inadequate and will likely hit a wall in a few short years.

Add these limitations to the cloud, the massive movement of data to the most optimized resource, and virtualization. What do you get? The potential for the mother of all performance killers - the current server and storage architecture.

Memristors + Tiny Cheap Cores

But what if you could break the storage, networking, and processor elements into tiny parts that could be reassigned and grouped in close proximity on demand?

Well, Memristors represent the best aspects of both magnetic media (they are non-volatile) and flash (they are fast to read and write, consume little power, and are solid state). So, what if you took these storage elements and put them in groups in close proximity, perhaps on the same boards, as ARM processors?

You’d then have ultrafast high-capacity storage in extreme proximity to power efficient cores. Meaning, half Memristor-powered racks would likely be equivalent to several racks of more traditional products. In addition, the close proximity, coupled with the high on-board speed and optical fiber connections between the boards, should result in not only a sharp performance increase but also facilitate massive power savings.

While the end products likely would initially look a lot like existing server blades or rack mounted servers, they could be built in almost any configuration; as while the circuit density is high, the thermal requirements are actually comparatively low. Since proximity will be the major problem - imagine servers that look more like balls or cubes than they do today at some future point to minimize the distance between components that may need to dynamically share loads.

In short, HP opened up a can of whoop-ass on the technology market and we really don’t see that very often.

Wrapping Up: Personal Technology?

Smartphones and tablets kicked off the trend toward very low cost cores and eventually, what appears to be an aggressively redesigned computing architecture. However, many of these changes can be applied to future generations of PCs, tablets and smartphones - providing ever higher performance at ever lower battery life.

Just try and think of future devices that will revolutionize the market by making current-gen iPads and iPhones look fat, slow, and power hungry. Of course, irrespective of whether or not this actually happens, the good news is that HP is back to providing product drama, something which is long overdue. The Meg Whitman HP is certainly looking better and better all the time.

HP moves to revolutionize computing

quote:

We report sub-nanosecond switching of a metal–oxide–metal memristor utilizing a broadband 20 GHz experimental setup developed to observe fast switching dynamics. Set and reset operations were successfully performed in the tantalum oxide memristor using pulses with durations of 105 and 120 ps, respectively. Reproducibility of the sub-nanosecond switching was also confirmed as the device switched over consecutive cycles.

quote:

In this work we demonstrated a platform for conducting
broadband dynamical studies of impedance mismatched
memristors. Tantalum oxide junctions were fabricated on
coplanar waveguide structures and reproducible resistance
switching of the order of 100 ps was shown. The measured
switching speed of this nonvolatile memory element is
comparable to or faster than mainstream volatile memories
such as DRAM and SRAM, and four orders of magnitude
faster than mainstream nonvolatile Flash. Additionally, the
result presented here opens new possibilities for the use of
memristors in high-speed high-frequency circuit applications.

......

The observed switching speed in this experiment was
limited by the pulse generator and not by the memristive device
itself nor by the transmission line structure. As a consequence,
one can envision that faster switching speeds in the double
digit picosecond range might be obtained by employing a faster
pulse generator as well as a compatible sample area in order to
minimize the parasitic effects associated with the memristor’s
parasitic capacitance.

iopscience

Men heeft zelfs al ca 100 picoseconden schakeltijden gehaald met tantalium substraat memristor.
En het kan nog sneller want de testopstelling had erg veel last van parasitaire capaciteit en door die te reduceren zijn schakeltijden van enkele tientallen picoseconden haalbaar.
We hebben het dan over frequenties van ca 100 Ghz