Een nieuwe manier om geavanceerde computercomponenten, memristors genaamd, op een chip te rangschikken, zou hen in staat kunnen stellen om te worden gebruikt voor algemeen computergebruik, die het energieverbruik met een factor 100 zou kunnen verminderen.

Dit zou de prestaties verbeteren in omgevingen met een laag energieverbruik, zoals smartphones, of zorgen voor efficiëntere supercomputers, zegt een onderzoeker van de Universiteit van Michigan.

"Historisch, de halfgeleiderindustrie heeft de prestaties verbeterd door apparaten sneller te maken. Maar hoewel de processors en geheugens erg snel zijn, ze kunnen niet efficiënt zijn omdat ze moeten wachten tot gegevens binnenkomen en uitgaan, " zei Wei Lu, UM-hoogleraar elektrische en computertechniek en mede-oprichter van memristor startup Crossbar Inc.

Memristors kunnen het antwoord zijn. Genoemd als een samentrekking van geheugen en weerstand, ze kunnen worden geprogrammeerd om verschillende weerstandsniveaus te hebben, wat betekent dat ze informatie opslaan als weerstandsniveaus. Deze circuitelementen maken geheugen en verwerking in hetzelfde apparaat mogelijk, het wegnemen van het knelpunt bij de gegevensoverdracht dat wordt ervaren door conventionele computers waarin het geheugen gescheiden is van de processor.

Echter, in tegenstelling tot gewone stukjes, die 1 of 0 zijn, memristors kunnen weerstanden hebben die zich op een continuüm bevinden. Sommige toepassingen, zoals computers die de hersenen nabootsen (neuromorf), profiteren van het analoge karakter van memristors. Maar voor gewone computers, proberen onderscheid te maken tussen kleine variaties in de stroom die door een memristorapparaat gaat, is niet nauwkeurig genoeg voor numerieke berekeningen.

Lu en zijn collega's hebben dit probleem omzeild door de huidige outputs te digitaliseren - door huidige bereiken te definiëren als specifieke bitwaarden (d.w.z. 0 of 1). Het team was ook in staat om grote wiskundige problemen in kleinere blokken binnen de array in kaart te brengen, verbetering van de efficiëntie en flexibiliteit van het systeem.

Computers met deze nieuwe blokken, die de onderzoekers "geheugenverwerkingseenheden, " kan met name handig zijn voor het implementeren van algoritmen voor machine learning en kunstmatige intelligentie. Ze zijn ook zeer geschikt voor taken die zijn gebaseerd op matrixbewerkingen, zoals simulaties die worden gebruikt voor weersvoorspelling. De eenvoudigste wiskundige matrices, verwant aan tabellen met rijen en kolommen met getallen, kan rechtstreeks op het raster van memristors in kaart worden gebracht.

Zodra de memristors zijn ingesteld om de getallen weer te geven, bewerkingen die de rijen en kolommen vermenigvuldigen en optellen kunnen tegelijkertijd worden uitgevoerd, met een reeks spanningspulsen langs de rijen. De gemeten stroom aan het einde van elke kolom bevat de antwoorden. Een typische processor, in tegenstelling tot, zou de waarde van elke cel van de matrix moeten lezen, vermenigvuldiging uitvoeren, en tel vervolgens elke kolom in serie op.

"We krijgen de vermenigvuldiging en optelling in één stap. Het wordt geregeld door middel van fysieke wetten. We hoeven niet handmatig te vermenigvuldigen en op te tellen in een processor, ' zei Lu.

Zijn team koos ervoor om partiële differentiaalvergelijkingen op te lossen als een test voor een 32x32 memristorarray - die Lu zich voorstelt als slechts één blok van een toekomstig systeem. deze vergelijkingen, inclusief die achter weersvoorspellingen, onderbouwen veel problemen op het gebied van wetenschap en techniek, maar zijn zeer uitdagend om op te lossen. De moeilijkheid komt van de gecompliceerde vormen en meerdere variabelen die nodig zijn om fysieke verschijnselen te modelleren.

Wanneer het oplossen van partiële differentiaalvergelijkingen precies onmogelijk is, om ze ongeveer op te lossen, kunnen supercomputers nodig zijn. Bij deze problemen gaat het vaak om zeer grote gegevensmatrices, dus het knelpunt in de communicatie tussen geheugen en processor wordt netjes opgelost met een memristorarray. De vergelijkingen die Lu's team in hun demonstratie gebruikte, simuleerden een plasmareactor, zoals die worden gebruikt voor de fabricage van geïntegreerde schakelingen.

Dit werk is beschreven in een studie, "Een algemene op memristor gebaseerde partiële differentiaalvergelijkingsoplosser, " gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Elektronica .