Hemmeligheden bag fremtidens computer gemmer sig i din hovedpude

En væsentlig forskel mellem computeren og menneskehjernen er den, at en computer skal bruge energi på at bevæge data til og fra den centrale regneenhed, CPU'en. Det behøver hjernen ikke. Neuronerne og deres synapser kan nemlig huske og regne samtidig. Hjernen er i datalogisprog en distribueret og massiv parallel computer, der med sine hundrede milliarder neuroner og tusind gange så mange synapser har fundet den mest energieffektive måde at tænke på.

At efterligne menneskehjernen har altid været det ultimative mål for forskningen i kunstig intelligens. Men de fleste neurale netværk, der er blevet bygget med det mål for øje, har ligesom de klassiske computere været baseret på en arkitektur fra von Neumanns tid: en sekventiel proces af logiske operationer med tilknyttede enheder af registre af instruktioner og hukommelseslagre med data.

Flytteriet af informationer mellem disse enheder skaber flaskehalse og varmespild, og det er disse ting, der i dag sætter grænser for, hvor små transistorer kan være, og hvor mange der er plads til på en chip.

Men alt dette kan ændre sig nu. Opdagelsen af et fjerde fundamentalt kredsløbselement, kaldet en 'memristor', har gjort det muligt at tænke computerarkitektur på en helt ny måde. I stedet for at basere sig på transistorer og deres tre energikrævende terminaler kan man bruge to-terminal memristor-elementer, der er passive - dvs. stort set ingen strøm bruger - samt fungerer bedst på nanoskala. Og vigtigst af alt: kan huske og beregne samtidigt.

I en ny artikel på arxiv.org skriver fysikerne Massimiliano Di Ventra fra University of California, San Diego, og Yuriy V. Pershin fra University of South Carolina i USA, at fremtidens computere meget vel kan komme til at bestå af 'memenheder', og at en fremtidens memcomputer kan gå hen og ligne rigtige menneskehjerner med deres parallelle forbindelser, der kan lave beregninger kollektivt og adaptivt. Og mest fascinerende er ifølge forskerne, at en memcomputer - ligesom våde hjerner - vil kunne omgå brudte forbindelser og dermed være selvreparerende.

Jagten på memristoren

Memristoren blev opdaget i 1971 af matematikeren Leon Chua fra University of California, Berkeley. Blandt visse ingeniører går Chua for at være elektroteknologiens svar på Albert Einstein. Han lavede en matematisk analyse af kredsløbselementernes dynamiske forhold til hinanden, og det viste sig, at der i kredsløbsligningerne manglede en beskrivelse af relationen mellem ladning og magnetisk flux. Han kaldte det manglende element en memory-resistor, eller memristor, fordi den kan forstås som en slags modstand med indbygget hukommelse om sin tidligere tilstand (se også ing.dk/artikel/91529).

Efter 1971 gik mange elektroingeniører i gang med at lede efter memristoren, men forgæves. Ingen forstod, hvilken slags fysik man skulle lede efter. I en kommentar i fagbladet Nature tidligere på året skriver Chua, at effekten af memristoren faktisk er blevet observeret mange gange siden Faradays dage, men på grund af dens lille og dynamiske karakter kunne den ikke beskrives systematisk.

En memristor udnytter nemlig på nanoskala en ikke-lineær effekt, som opstår, når et materiale påvirkes af en ydre kraft og bagefter igen finder sin oprindelige ligevægt. Det kaldes hysteresis og er nemmest forklaret ved en pude: Lægger du dit hoved på puden og fjerner det igen, vil puden beholde sin sammentrykte form i et stykke tid, og dermed være en slags hukommelse af, hvor og hvor meget dit hoved trykkede.

De tre kredsløbskomponenter - modstanden, kondensatoren og spolen - fik i 1971 selskab af en fjerde komponent: memristoren. I en graf for strømstyrken (i) og spændingen (v) opfører memristoren sig lidt ligesom modstanden, men den ændrer sig, i takt med at der passerer en ladning igennem. Den 8-tals-lignende form kaldes også for et hysteresis-loop, der ligesom en pude kan udvides og sammenpresses, alt efter hvor man trykker.

Sammentrykningen og den efterfølgende langsomme udvidelse af puden til sin oprindelige form kaldes et hysteresis-loop. I materialer på nanoskala er der også en pude-effekt, typisk ved en forrykkelse af ioner eller iltmolekyler i en krystalstruktur, men det kan også ske via reelle faseovergange eller en midlertidig afbrydelse af ledningsevnen i glødetråde og så sandelig også i biologiske systemer, hvor stoffer transporteres langs ionkanaler.

En memristor er altså et ganske almindeligt fænomen, der opstår i meget små dissipative systemer, hvor der er strøm og spændingsforskelle. Ifølge Leon Chua blev memristoren første gang beskrevet i 1801 og altså ikke af ham selv, men af ingen andre end Michael Faradays mentor Sir Humphry Davy - uden at denne selv vidste det.

Selvom memristoren først blev formuleret matematisk i 1971, og først nu er ved at blive skrevet ind i lærebøgerne som det fjerde fundamentale kredsløbselement ved siden af modstanden, kondensatoren og spolen, er den altså ældre end modstanden, der blev beskrevet af Ohm i 1827, og spolen, der blev fremlagt af Faraday i 1831.

Den første memristor

Efter mange års forgæves jagt på memristoren lykkedes det i 2008 R. Stanley Williams og hans forskerhold fra HP Labs at udvikle den første rigtige memristor ved at placere en tre nanometer tynd film af titaniumdioxid mellem to platinelektroder og sætte strøm til.

Det får enkelte iltatomer på den positivt ladede side til at forlade deres plads i krystalgitret (ligesom luften i en pude), hvilket ændrer materialets modstand, alt efter hvor meget strøm der ledes igennem. Det viste sig, at 'memristansen' i memristoren er afhængig af en funktion, der er omvendt proportional med kvadratet på materialets tykkelse, og derfor en million gange stærkere i nano-regimet end på mikrokala.

På millimeterskala er fænomenet komplet usynligt. Det forklarer, hvorfor memristoren aldrig blev opdaget som det fjerde fundamentale kredsløbselement: Man troede, at der blot var tale om små anomalier, forårsaget af støj og urenheder i forsøgsopstillingen.

Efter Stanley Williams' opdagelse i 2008 er der for alvor kommet gang i udforskningen af memristoren. Det amerikanske militærs forskningsenhed Darpa igangsatte samme år programmet SyNAPSE (Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics) og Intel har for nylig afsløret et chipdesign, baseret på memristorer og såkaldte spinventiler.

I det nye paper forsøger Di Ventra og Pershin at beskrive et blueprint for et komplet nyt design for en 'memcomputer'. Den er ikke kun baseret på memristorer, men også på memkondensatorer og memspoler, der alle kan huske deres tidligere tilstande, og derfor ikke har brug for at hente data fra harddiske eller andre hukommelseselementer. Det vil betyde en enorm forøgelse af regnekraften og give Moores lov nyt liv.

Di Ventra og Pershin har lavet en liste af nødvendige kriterier for memcomputeren: 1) Den skal kunne danne et adaptivt kredsløb af paralleltberegnende memelementer, der er i stand til at kombinere informationsforarbejdning med dataopbevaring. 2) Memelementerne skal kunne gemme data tilpas længe, udvise en kollektiv dynamik og være robuste over for fejl og støj. 3) De skal kunne reagere på indgangssignaler, og man skal kunne aflæse resultaterne af beregningerne.

Husker tidligere tilstande

Memcomputerens væsentligste kendetegn er altså, at den benytter sig af elementer, der (ligesom puden) har en evne til at huske deres tidligere tilstande. Det specielt interessante i den sammenhæng er, at det netop er på nanoskala, at den type af hukommelseseffekter gør sig gældende, for eksempel via elektroners og ioners forsinkede responstid i krystaller, der påvirkes af et felt. Elektroingeniører har da også længe vidst, at titaniumdioxid ændrer sin modstand i nærvær af ilt, hvilket er princippet bag visse ilt-sensorer, men de kunne ikke forklare, hvorfor det var sådan.

Memelementer er derfor en naturlig konsekvens af en fortsat miniaturisering af elektroniske enheder. Da memristoren virker ved minimale mængder af tilført energi, løser det desuden problemet med overskudsvarmen, der altid skal føres væk fra de traditionelle kredsløb, hvilket har gjort det svært at bygge digitale kredsløb i nanoskala.

Udfordringen er derfor nu at bygge memelementerne og sætte dem ordentligt sammen. Ifølge Stanley Williams er nogle af de bedste kandidater til at bygge memelementer en ny type af bipolære eller unipolære kontakter, kaldt RRAM eller ReRAM, der er bygget af perowskit (CaTiO3), samt de såkaldte phase-change memory enheder, der er baseret på de glas-agtige krystaller som man bruger som coating på cd'er og dvd'er. Men forskerne er også i gang med at undersøge atomare kontakter, spin-transfer torque RAM-enheder og en lang række andre systemer baseret på en bred vifte af materialer.

'En vigtig milepæl vil være en demonstration af en memcomputer med en regnekraft og et energiforbrug svarende til (eller bedre end) en menneskelig hjerne,' skriver Di Ventra og Pershin i deres paper. En hjerne har cirka 10^11 neuroner og 10^14 synapser, så der er rigeligt at gå i gang med.