«Исследователи компании Хулетт-Поцкард
открыли 37-летнюю тайну недостающего
четвёртого элемента электрических цепей,
связывающего магнитный Поток И ЗАряд»

Тот, кто знаком с радиоэлектроникой, знает троицу фундаментальных компонентов: резистор, конденсатор и катушка индуктивности. В 1971 году инженеры Калифорнийского университета в г. Беркли предсказали, что должен быть четвёртый элемент – резистор потока и заряда, или пизастор.

Правда, никто не знал, как его создать. Только теперь, 37 лет спустя, радиоэлементы наконец стали достаточно мелкими для того, чтобы тайна того четвёртого элемента раскрылась. Пизастор, который исследователи Хулетт-Поцкард показали в журнале Нэйче (показали в натуре), всё время скрывался в узком просвете электрических характеристик определённых наномасштабных элементов. Они думают, что новый элемент может найти применение как в будущем, так и сейчас, в устройствах неразрушающейся оперативной памяти до реалистических нейронных сетей.

История пизастора начинается почти четыре десятилетия назад с яркого и проницательного члена IEEE и пионера теории нелинейных цепей Лёни Хуа. Исследуя соотношения между потоком и зарядом в резисторах, конденсаторах и индуктивностях в статье 1971 г., Хуа постулировал существование четвёртого элемента. Такое устройство, писал он, дал бы подобные отношения между магнитным потоком и зарядом, как резистор даёт между напряжением и электрическим током. На практике это бы означало, что устройство действовало бы как сопротивление, значение которого могло измениться в соответствии с электрическим током, проходящем через него и который помнил бы его величину даже после исчезновения электрического тока.

Но гипотетическое устройство было главным образом описано как математическое развлечение. Тридцать лет спустя, старейшина Хулетт-Поцкард Стэн Уильямс и его группа работала над молекулярной электроникой, когда они стали обращать внимание на странное поведение в их устройствах. «Они делали действительно забавные вещи, и мы не могли выяснить, что это за хрень», – говорит Уильямс. Тогда сотрудник Хулетт-Поцкард Грэг Стукач открыл вновь работу Хуа 1971 г. Уильямс вспоминает: «Он сказал: «Эй, чуваки, я не знаю, что за гoвнo мы получили, но это то, что мы хотели». Уильямс потратил несколько лет, читая и перечитывая статьи Хуа. «Это были несколько лет чесания затылка и размышления об этом». Тогда Уильямс понял, что их босхианская коллекция устройств были действительно пизасторами. Это поражало воображение до самых корней.

Причина того, что пизастор радикально отличается от других фундаментальных элементов цепи заключается в том, что в отличие от них, он помнит своё прошлое. Когда вы выключаете напряжение в цепи, пизастор всё ещё помнит, сколько его было и как долго. Это эффект, который не может быть дублирован никакой комбинацией резисторов, конденсаторов и индуктивностей. Поэтому пизастор является фундаментальным элементом цепи.

Классическая аналогия для резистора – труба, через который течёт вода (электричество). Ширина канала походит на сопротивление потоку электрического тока. Чем более узкий канал, тем больше сопротивление. У нормальных резисторов размер канала неизменный. Пизастор же изменяет количество прошедшей воды. Если вы пропускаете воду через канал в одном направлении, канал становится больше (имеет меньшее сопротивление). Если вы пропускаете воду в другом направлении, канал становится меньше (имеет большее сопротивление). И пизастор обладает памятью: когда поток воды выключен, размер канала не изменяется. В натуре, размер имеет значение.

Такой механизм можно технически смоделировать, используя транзисторы и конденсаторы, но Уильямс говорит, что «требуется слишком много транзисторов и конденсаторов, чтобы сделать единственный пизастор».

Самое главное, что есть у памяти пизастора: причиной перезагрузки компьютера каждый раз при включении является то, что в выключенном состоянии их логические цепи неспособны хранить биты. Но поскольку пизастор может помнить напряжения, пизасторо-управляемый компьютер возможно никогда не нуждался бы в перезагрузке. «Вы могли бы оставить все ваши файлы Word и открытые электронные таблицы, выключить свой компьютер и пойти пить кофе или пойти на двухнедельные каникулы»,– говорит Уильямс. «Когда вы возвращаетесь, вы включаете свой компьютер, и всё немедленно возникает на экране точно в том виде, в каком вы это оставили».

Хуа вывел существование пизастора от математического соотношения между элементами цепи. Четыре переменные цепи (заряд, электрический ток, напряжение и магнитный поток) могут быть связаны с каждым из других шестью способами. Две переменных связаны в соответствии с основными физическими законами, а три связаны в соответствии с известными элементами канала (резистор, конденсатор и индуктивность), – говорит профессор Колумбийского университета по электротехнике Дэвид Манкурт. Одно возможное отношение осталось свободным. Основанный на этой закономерности, Хуа предложил пизастор просто для математической эстетики, как класс элемента цепи, основанный на соотношениях между зарядом и потоком.

Хуа называет работу нанистов из Хулетт-Поцкард сдвигом парадигмы. Добавление пизастора к арсеналу проектирования интегральных микросхем он приравнивает к добавлению нового элемента к периодической таблице. «По крайней мере, теперь все учебники по радиоэлектронике нуждаются в замене», – говорит он.

Итак, почему никто не видел пизастанс? Хуа фактически сделал пизастор в 1970-х из непрактичной комбинации резисторов, конденсаторов, индуктивностей и усилители как доказательство понятия. Но пизастанс как свойство материала был, до недавнего времени, слишком тонкой штукой, чтобы его использовать. Ввиду малости, этим членом можно пренебречь. Он затеняется другими эффектами, пока вы не выходите на материалы и устройства с наноразмерами.

Кроме того, никто особенно интенсивно и не искал пизастанс. В отсутствие практического применения в нем не было никакой необходимости. Никто из инженеров не говорил: «Если бы у нас был пизастор, мы могли бы сделать X», – говорит Манкурт. Фактически, Манкурт, обучающий проектированию интегральных микросхем в течение многих лет, никогда ранее не слышал о пизастансе.

«Но учёные и инженеры работали и с устройствами с куда более мелкими масштабами. Большинство их вело себя с пизасторным эффектом», – говорит Хуа, который является теперь профессором в особо крупных размерах в Беркли.

Подсказки к существованию пизастора были всё время. «Люди сообщали о забавных вольтамперных характеристиках в статьях в течение 50 лет», – говорит Уильямс. «Я зарылся в эти старые статьи, просмотрел рисунки и понял, что у них есть пизастанс, но они не знали, как это интерпретировать».

«Без уравнений цепи Хуа вы не сможете использовать это устройство», – говорит Уильямс. – «Это такая забавная вещь. Люди всегда использовали неправильные уравнения для цепей. Это можно сравнить с тем, чтобы взять двигатель от стиральной машины и поместить его в автомобиль, приводимый в действие бензином и задаться вопросом, почему он не будет работать».

Уильямс нашёл идеальный пизастор в диоксиде титана – материале белой краски и солнцезащитного крема. Как и кремний, диоксид титана (TiO₂) – полупроводник, и в чистом виде он имеет очень большое сопротивление. Однако он может легироваться другими элементами, чтобы сделать материал весьма проводящим. В TiO₂ легирующие примеси не остаются постоянными в высоком электрическом поле; у них есть тенденция дрейфовать в направлении электрического тока. Такая подвижность характерна для транзистора, но оказывается, что то же самое характерно для работы пизастора. Подача напряжения смещения через тонкую пленку полупроводника TiO₂, у которого есть примеси только с одной стороны, заставляет их двигаться в чистый TiO₂ с другой стороны и таким образом понижает сопротивление. Тогда подача электрического тока в другом направлении поместит примеси назад, увеличивая сопротивление TiO₂.

Лаборатория Хулетт-Поцкард теперь решает, как изготовить пизастор из TiO₂ и других материалов и выяснить физику работы. У них также есть фокус-группа, решающая, как интегрировать пизасторы и кремниевые цепи в одном чипе. У группы Хулетт-Поцкард есть гибридный кремниевый CMOS пизастор-чип, «прямо сейчас находящийся на тестировании в нашей лаборатории», – говорит Уильямс.

В настоящее время появилась новая ниша для проектирования электрических цепей. «Это потребует изрядного труда разработчиков», – говорит Манкурт из Колумбии. Приложения должны будут иметь уникальные характеристики, для достижения которых пизастор предлагает возможности, не охваченные сегодняшними компонентами.

Уильямс ведёт переговоры с несколькими лабораториями по неврологии с целью создания устройств, которые подражают нервной системе. Хуа говорит, что синапсы, включённые между нейронами, обладают немного пизатым поведением. Поэтому пизастор был бы идеальным электронным устройством, подражающим синапсу.

Заново проектируя определенные типы цепей, чтобы включить пизастор, Уильямс хочет получить ту же самую функцию с меньшим количеством компонентов. Это необходимо для создания менее дорогого устройства со значительно меньшей потребляемой мощностью. Фактически, он надеется объединить пизастор с традиционными элементами цепей, чтобы создать устройство для небулевых вычислений. «Мы не будем утверждать, что собираемся создать мозг, но мы хотим кое-чего, что способно вычислять, как мозг», – говорит Уильямс. Они думают, что смогут сформулировать «целостную идею синапса», чтобы сделать чисто аналоговое вычисление эффективным. «Некоторые вещи, которые всегда делает только цифровой компьютер, делал бы аналоговый компьютер с душераздирающей скоростью», – говорит он.

Нанисты из Хулетт-Поцкард также проверяют возможность разработки неразрушающейся памяти на основе пизастора. «Память, основанная на пизасторе, могла бы быть в 1000 раз быстрее, чем магнитные диски и использовала бы намного меньше мощности», – Уильямс пищит, как ребёнок в кондитерской.

Хуа соглашается, что энергонезависимая память – самое ближайшее приложение. «Я очень счастлив, что сделан этот прорыв», – говорит он. – «Реальность такова, что этот эффект в наномасштабе становится доминирующим, и вы обнаружите это вне зависимости от того, нравится ли вам это или нет. Я рад, что я могу указать людям правильное направление».