Suchen

HP Memristor-Konzept bekommt ernste Konkurrenz Knowm Natural Transistor

| Autor / Redakteur: Thomas Drilling / Rainer Graefen

HP forscht seit 2008 an Memristoren. Dessen theoretische Existenz wurde seit 1971 von Berkeley-Professor Leon Chua als fehlendes „viertes Element“ passiver Schaltungstechnik postuliert. Während HP die Memristor-Pläne wiederholt verschoben hat, weil der IT-Riese die Fertigung nicht in den Griff bekommt, bietet ein kleines US-Startup seit wenigen Wochen einen funktionsfähigen Chip an.

Firma zum Thema

Anfang September überraschte Knowm mit der sofortigen kommerziellen Verfügbarkeit seiner Memristoren.
Anfang September überraschte Knowm mit der sofortigen kommerziellen Verfügbarkeit seiner Memristoren.
(Bild: Knowm)

In der Wissenschaft hat die Suche nach „harmonischer Schönheit“, etwa bei mathematischen Formeln, oft zu Erkenntnissen geführt oder zumindest dazu, bestehende physikalische Theorien zu vervollkommnen. Ein prominentes Beispiel ist die 1928 von Paul Dirac, ein Begründer der Quantenmechanik, aufgestellte Dirac-Gleichung. Es war der ersten Versuch, Einsteins Relativitätstheorie und die Quantenphysik im Zuge der Suche nach einer vereinheitlichten Feldtheorie, zusammenzuführen.

Bis heute fahnden daher Physiker nach so genannten magnetischen Monopolen, dem Pendant zur elektrischen Ladung. Diese würden das Symmetriemodell der Dirac-Gleichungen vervollständigen; denn es könnte die Ursache von Magnetismus aus sich selbst heraus und nicht nur als Wirkung (Induktionsgesetz) oder als magnetisches Moment des Spins von Elementarteilchen erklären.

Ähnliches gilt für die Maxwell'schen Gleichungen, dem fundamentalen Grundgesetz der Elektrodynamik (1861 - 1864) und neben der Thermodynamik wichtigsten Grundlage nahezu der gesamten auf Elektrizität basierenden Technologie des 20. Jahrhunderts. Wendet man das Streben nach Harmonie auf die Maxwell-Gleichungen an, müsste man die Existenz von Potenzial-Wirbeln und daraus resultierenden Skalarwellen fordern, dem Pendant zur Hertzschen Longitudinal- und Transversalwelle, wie es seit Anfang der 90´iger Jahre Jahre Prof. Konstantin Meyl tut. Skalarwellen könnten viele der Anfang des vergangenen Jahrhunderts von Nicola Tesla experimentell gezeigte feldtheoretischen Phänomene erklären, wie etwa die verlustfreie und nicht kabelgebundene Übertragung von Energie.

Memristor – das fehlende Element

Ein bodenständigeres Beispiel ist die Forderung nach einem neben Widerstand, Spule und Kondensator vierten fundamentalen Grundtyp passiver elektrischer Schaltungselement. Dessen hypothetische Existenz forderte der in Berkeley wirkende Professor Leon Chua schon 1971, weil das Memristor genannte Element die formalen mathematischen Zusammenhänge zwischen Strom, Spannung, Ladung und magnetischem Fluss harmonisieren würde.

Memristoren sind passive Bauelemente, bei denen der Widerstand nicht konstant ist, sondern davon anhängt, wie viele Ladungen vorher geflossen sind und in welcher Richtung. Da der Widerstandswert erhalten bleibt, wenn kein Strom mehr fließt, lässt sich der Effekt der Abhängigkeit zwischen Ladung und magnetischen Fluss sowohl zum Speichern von Daten, als auch zum Rechnen nutzen.

Die Memristor-Vision von HP

Angeblich erstmals physikalisch realisiert wurden Memristoren im Jahr 2007. Laut Aussage der Forscher von Hewlett Packard bräuchte man dazu lediglich ein nichtlineares Verhalten zwischen den Strom- und Spannungsintegralen.

Hat Knowm den Stein der Weisen gefunden?
Hat Knowm den Stein der Weisen gefunden?
(Bild: Knowm)

Das Problem: die gesuchte Eigenschaft ließe sich zwar mit aktiven Bauelementen realisieren, allerdings würde diese zusätzlich Energie benötigen. Seit 2008 experimentiert ein Forscherteam von Hewlett-Packard unter Leitung von HP Senior Fellow Stan Williams mit Memristoren oder vielmehr deren physikalischer Realisierung und einer möglichen Serienfertigung. Zwischen 2008 und 2010 hatten die HP-Forscher ein Bauelement als Schalter für schnelle Switches in Form eines relativ einfach aufgebauten Schichtverbundes aus Titandioxid mit Platinelektroden entwickelt, das von HP seinerzeit selbstbewusst als Beweis für die erste physische Inkarnation eines Memristors gefeiert wurde.

Damals prognostizierten die HP-Forscher zuversichtlich, dass sie entsprechende Bauelemente als Alternative zur bisherigen Fertigung von nichtflüchtigen Speicherchips in Form von NAND-Flash binnen drei Jahren zur Serienreife bringen könnten. HP arbeitet dazu mit dem weltweit zweitgrößten DRAM-Produzenten SK Hynix zusammen, wenngleich auch andere Hersteller wie etwa Samsung, Fujitsu, Matsushita oder 4DS in diesem Bereich forschen. Allerdings sieht sich HP selbst als federführend in der Memristor-Forschung.

HP und The Machine

Ob aus Überzeugung oder Marketing-Erwägungen, Hewlett Packard wollte seine Anfangserfolge in der Memristoren-Technik im Jahr 2008 aber offenbar nicht nur als Grundlagenforschung verstanden wissen. So positionierten HPs Strategen die eigene Forschungsergebnisse vollmundig als Basis einer völlig neuartigen Supercomputer-Achitektur für die Cloud und Computer-Grids, die HP samt speziellem Betriebssystem unter der Bezeichnung „The Machine“ entwickeln will. Angekündigt hatte HP The Machine erstmals auf der Konferenz „Discover 2014“ in Las Vegas. Die geplante Serienreife - von HP erstmals für 2013, später für 2015 versprochen - musste inzwischen mehrfach revidiert werden.

Laut HP soll The Machine in einem einzigen 19-Zoll-Rack künftig bis zu 160 Petabyte Speicher mit Zugriffszeiten von 250 Nanosekunden ermöglichen und nur einen Bruchteil der elektrischen Leistung herkömmlicher Systeme benötigten. Die eigentlich für 2016 angekündigten DIMMs sollten laut HP eine Umschaltzeit im Bereich von Pico-Sekunden aufweisen.

Inzwischen erstreckt sich die Roadmap des Memristor-Projektes, das heißt: von The Machine, jedoch bereits bis 2020. Noch im Sommer diesen Jahres räumte HP in einem Interview mit mit der New York Times ein, dass man momentan keine Vorstellung habe, ab wann man Memristoren in relevanten Stückzahlen herstellen könne und dämpfte die eigenen Prognosen bezüglich einer möglichen Marktreife von The Machine erneut. Allein die mögliche serienreife Verfügbarkeit von Memristoren wurde inzwischen von 2016 auf 2017 verschoben.

Kleinere Brötchen

Daher planen die HP-Entwickler The Machine inzwischen ohne Memristoren weiter. So sollen die Prozessoren für die Boards, die von verschiedenen Prozessorherstellern geliefert werden, jetzt offenbar einen konventionellen Cache anstelle von Memristoren erhalten, jedenfalls vorläufig. In dem räumten Martin Fink, Chief Technology Officer bei HP, unter anderem ein, dass man sich ursprünglich viel zu sehr auf das Memristor-Konzept versteift habe. Heute arbeite man primär daran, das Projekt The Machine mit dem vorrangigen Ziel einer speichergetriebenen Rechnerarchitektur zur Marktreife zu führen und zwar mit heute verfügbaren Technologien.

Immerhin will HP weitere 500 Millionen US-Dollar in das Projekt investieren. Momentaner Stand der Planungen bei HP ist, dass The Machine im Jahr 2016 mit konventionellem DRAM-Speicher und einem Betriebssystem auf Linux-Basis auf den Markt kommen soll. Der Benefit gegenüber konventioneller Supercomputer-Architektur läge dann primär in der Energie-Ersparnis. Erst die übernächste Version von The Machine soll dann so HP endlich mit Memristoren aufgebaut sein.

Knowm - Nature Transistor

Die Geschichte um HP-Memristoren und den Super-Computer The Machine könnte damit vorläufig zu Ende erzählt sein, hätte nicht im Juli diesen Jahres das kleine US-Startup Knowm Fakten geschaffen und einen nach eigener Aussage ersten, funktionsfähigen Memristor auf den Markt gebracht. Der Chip kann für rund 200 Dollar im Knowm-Online-Shop erworben werden.

Knowm-Memristoren funktionierten ähnlich wie Neuronen.
Knowm-Memristoren funktionierten ähnlich wie Neuronen.
(Bild: Knowm)

Knowms neues Bauelement war im Juli noch nicht zur Serienfertigung vorgesehen, sondern richtet sich primär an Forscher, die zum Beispiel mit Algorithmen für Machine Learning experimentieren wollen. Anfang September überraschte Knowm dann mit der sofortigen kommerziellen Verfügbarkeit seiner Memristoren.

Laut CTO Tim Molter hat Knowm dazu ein Konzept entwickelt, das sich an die von neuronalen Netzen bekannte Hebbsche Lernregel anlehnt. Diese lasse sich, so Molter, mit Memristoren sehr effizient realisieren. Knowms Memristoren funktionierten nämlich ähnlich wie Neuronen, was die Bezeichnung „Nature Transistor“ erklärt.

Knowm Mitbegründer Axel Nugent, der unter anderem im DARPA-Forschungsprojekt SyNAPSE involviert dar, kommentierte die HP-Misere mit: „Das Problem von HP ist nicht der Memristor, sondern wie sie ihn verwenden wollen“. Das AhaH-Prinzip von Knowm basiert auf einer Memristor-Technologie, die Kris Campbell von der Uni Boise entwickelt hat. Diese unterscheidet sich von HP-Ansatz, findet aber offenbar die Zustimmung des „Memristor-Erfinders“ Leon Chua.

Artikelfiles und Artikellinks

(ID:43691338)