af Sally Adee
Første Offentliggjort maj 2008
Forskere ved HP har løst mysteriet om modstanden i 37 år hukommelse, anses den 4. element af elektriske kredsløb fraværende.
FOTO: R. Stanley Williams
Første maj, 2008 - Nogen der er fortrolig med elektricitet og elektronik ved, at der er en treklang af centrale elementer i elektricitet: den modstand, kondensator og IC. I 1971, University of California i Berkeley en ingeniør forudsagt, at der bør være et fjerde element elektrisk: en type modstand med hukommelse, eller Memristor. Men indtil da ingen vidste, hvordan man opbygger dette element. Nu, 37 år senere, blev maskinen endelig lille nok til at afsløre hemmelighederne af, at fjerde elektrisk element. The Memristor bygget af forskere ved Hewlett-Packard (HP) viste i dag i Nature, der blev skjult fra synet af alt for lang tid skjult i det elektriske egenskaber af visse nanoskala enheder. De mener, at det nye element kan åbne en ny vej for ansøgninger i random access memory nonvolatile, og også drømt om realistiske neurale netværk, i stedet for kunstige neurale netværk (et af de nuværende metoder, der anvendes inden for kunstig intelligens).
Historie Memristor starter næsten fire årtier med et indblik i pioner af teorien om ulineære kredsløb Leon Chua. Undersøge sammenhængen mellem elektrisk ladning og magnetisk flux i elektriske modstande, kondensatorer og spoler i en artikel skrevet i 1971, Chua postuleres eksistensen af en fjerde element, som han kaldte elektriske modstand hukommelse. En sådan enhed bør udgøre en forbindelse mellem den magnetiske flux og elektrisk ladning, der svarer til en elektrisk modstand, der ville gøre, når de udsættes for spænding og strøm. I praksis betyder dette, at han fungerede som en elektrisk modstand, hvis elektriske modstand værdi kan variere afhængigt af elektrisk strøm passerer gennem den, og at det ville huske værdien af elektrisk strøm, selv efter den elektriske strøm er forsvundet.
Men det hypotetiske enheden blev vurderet som den manglende kompatibilitet konstruktiv tid med matematik, der forklarer den virkning Memristivo, men det var ikke synlig for enheden 1971. Tredive år senere, en kollega på HP, Stanley Williams, og hans forskergruppe arbejder på molekylær elektronik, da de begyndte at lægge mærke til noget mærkeligt i deres enheder. "De var virkelig ting, vi ikke kunne forstå," siger Williams. Så dit ansat i HP, Greg Snider, genopdagede Chua's artikel i 1971. Han sagde: "Hey gutter, jeg ved ikke, hvad vi har, men det er, hvad vi ønsker." Husker Williams. Williams tilbragt flere år at læse og genlæse de sider af artiklen Chua. "Han (artiklen) brugte flere år banker på mit hoved." Så Williams var i stand til at opbygge deres molekylære enheder og få en virkelig Memristors. "Han slog mig mellem øjnene."
Grunden til, at Memristor er radikalt forskellige fra andre elektriske elementer er grundlæggende, at, i modsætning til dem, det bærer et minde om fortiden. Når du tænder det elektriske kredsløb, den Memristor stadig husker, hvor meget var værdien for det før lukning. Dette er en effekt, der ikke kan duplikeres af nogen kredsløb kombination af modstande, kondensatorer og spoler, som er det, der adskiller den Memristor og betragtes som et grundlæggende element kredsløb.
Den klassiske analogi til et elektrisk modstand er et rør, hvorigennem vand (el) passerer. Bredden af røret svarer til elektrisk modstand, der tillader strømmen af elektrisk strøm gennem røret - snævrere røret, jo større den elektriske modstand. Modstandene har en normal pibe størrelse invariant under påvirkning af strøm og spænding. En Memristor, på den anden side, ændringer med den mængde vand, der strømmer gennem røret, eller kabel. Hvis du skubber vandet gennem røret i en given retning, røret bliver større (mindre resistive). Hvis du skubbe vandet i den anden retning, røret bliver mindre (mere resistive), er karakteristisk for en Memristor. Når vandstrømmen holder stille, er røret størrelse ikke ændres mere. Denne mekanisme kan være teknisk beregnes ved hjælp af transistorer og kondensatorer, men, siger Williams, "han bruger mange transistorer og kondensatorer til at gøre brug af en enkelt Memristor."
Hukommelsen i Memristor har konsekvenser, og de normale digitale computere skal genstartes hver gang de er tilsluttet, da deres logiske kredsløb ikke er i stand til at holde deres bits når strømmen afbrydes. Men fordi en Memristor kan huske de gamle spændinger anvendes på det, en computer er bygget med nye komponenter som Memristor aldrig skal genstartes. "Du kan lade alle dine filer, dokumenter og regneark, skal du slukke computeren og gå drikke en kop kaffe eller tage på ferie i to uger," siger Williams. "Når du tænder, du tænder din computer og alt vil være det samme på skærmen, præcis som du forlod det."
Chua udledte eksistensen af Memristor af matematiske relationer mellem de fire grundlæggende mængder af elektriske kredsløb. De fire grundlæggende kredsløb mængder (opladning, strøm, spænding og magnetisk flux) kan relateres til hinanden i seks forskellige måder. To mængder er omfattet af de grundlæggende fysiske love, og tre er omfattet af de grundlæggende elementer i elektriske kredsløb kendt (resistor, en kondensator og IC), siger elektromekanik professor David Vallancourt til Columbia University. Baseret på dette, Chua foreslog Memristor udelukkende som en klasse af kredsløbselementer baseret på sammenhængen mellem de elektriske ladninger og magnetisk flux.
Billede: JJ Yang / HP Labs
Chua fortolker arbejde af de ansatte i HP som et paradigme forskudt i tid. Han sammenligner tilsætning af Memristor, hæren af kredsløbselementer, ligesom du ville summen af et nyt element i det periodiske system, "nu alle manualer for Elektroteknologi (EE) skulle ændres," siger han.
Så hvorfor nogen havde ikke lagt mærke til før Memristência? Chua har faktisk lavet en Memristor i 1970 med en umulig kombination af modstande, kondensatorer, spoler, og forstærkere kun som proof of concept. Men Memristor som en ejendom af en elektrisk udstyr var, indtil for nylig, for subtile at gøre brug af det. The Memristência er skjult af andre elektriske virkninger af større relevans, indtil du ser denne effekt i materialer og andre enheder, der er bygget i nanometrisk størrelser.
Fraværet af en ansøgning om Memristência var særlig kompliceret, var der ingen grund til at anvende Memristência. Nr. ingeniør sagde: "Hvis bare vi havde en Memristor, kan vi gøre sådan noget!", Siger Vallancourt. I virkeligheden, som Vallancourt, har undervist i teknikker til elektriske kredsløb i år, havde aldrig hørt tale om Memristência før i denne uge.
Jo mindre målestok, hvor ingeniører og forskere med at opbygge deres apparater mere mærkbar virkning Memristor, siger Chua, der nu er lektor på Berkeley.
Der var flere spor til eksistensen af Memristor begyndelsen. "Vi vidste, sjove spænding egenskaber i litteraturen i løbet af de sidste 50 år," siger Williams. "Jeg gik til disse gamle artikler og set billederne og sagde:" Ja, de har Memristência, og vi vidste ikke, hvordan man skal fortolke det "."
"Uden ligninger Chua's kredsløb, kan du ikke gøre brug af denne enhed," siger Williams. Vi brugte alle de kredsløb ligninger forkert. Sammenligne den med en motor i en vaskemaskine, ville være det samme som erstatning elmotoren af maskine med en forbrændingsmotor, gad vide hvorfor han vil ikke køre. "Memristor Williams fundet en ideel i titandioxid - materiale og hvid maling solcreme. Som silicium, titaniumdioxid (TiO2) er en halvleder i sin rene form er meget resistive. Men det kan være dopede med andre elementer til at gøre det meget ledende. Den TiO2 doped er ikke stationære i en høj elektrisk felt, det har en tendens til at glide i retning af elektrisk strøm. En sådan mobilitet er en gift, en transistor, men resulterer i præcis den ønskede effekt i en Memristor. Placeringen af et spændings niveau gennem en tynd film af TiO2 doteret halvledere til den ene side, fordi faldet i elektrisk modstand. Fordrivelse af elektrisk strøm i en anden retning, derefter skubbe tilbage dopant, hvilket øger den elektriske modstand af TiO2.
Den HP Labs har forsket i, hvordan man fremstiller den Memristors af TiO2 og andre materialer ud til at forsøge at forstå fysikken bag dem. De har også udsigt til at integrere Memristors på en enkelt silicium-chip. Den gruppe af HP er en type af hybrid silicium CMOS Memristor i test.
Konsekvenserne for aspekter af elektriske kredsløb kan være følelser i det øjeblik. Ansøgningerne skal være identificeret, fordi de unikke karakteristika Memristor tilbyde muligheder endnu ikke er omfattet af komponenter i dag.
Williams er i forhandlinger med flere laboratorier og neurovidenskab, som længe har været praktiseret med enheder, der emulere biologiske neurale systemer. Chua siger, at synapser, forbindelser mellem neuroner, har en smule opførsel Memristivo. Derfor er en Memristor være den ideelle elektronisk enhed til at emulere en biologisk synapser.
Redesigning visse typer kredsløb til at omfatte Memristors, Williams forventer samme funktion med færre komponenter, som gør banen selv er billigere og væsentligt reduceret, bl.a. som dets forbrug af energi. Faktisk håber han Memristors kombineres med elementer af traditionel kredsløb til at producere en anordning, der gør computing ikke-Boolean. "Vi ved ikke, om vi er ved at opbygge en elektronisk hjerne, men vi vil have noget, der vil fungere som en menneskelig hjerne," siger Williams. De tror, de kan se bort fra "den grundlæggende idé om synapser" for at gøre en computer primært analoge og effektiv. "Nogle ting, som en digital computer ville tage en næsten uendelig tid, en analog computer-baserede Memristor ville tage kun en let brise," siger han.
Af HP-gruppen også er ved at undersøge udviklingen af en ikke-flygtig hukommelse baseret på Memristor. "En memory-baserede Memristors kan være 1.000 gange hurtigere end magnetiske diske og bruger meget mindre energi," siger Williams, der lignede et barn i en slikbutik.
Chua mener, at den ikke-flygtige hukommelse er den umiddelbare anvendelse af Memristor. "Jeg er meget glad for denne bryde gennem fjendens linjer," siger han. "I virkeligheden nanoskala giver denne retning bliver dominerende, og du vil finde nogen steder lide det eller ej, jeg er glad for at vise folk den rigtige retning."
Tilpasset fra teksten i IEEE Spectrum Online på Mysterious Memristors ved Prof. Dr. Luis Filipe Barbosa Wiltgen - LRA / FEAU / UNIVAP - 06 maj 2008.
Ingen relaterede indlæg
Den Memristor eh mere propaganda end virkeligheden. Allerede eksisteret i lang tid "memristors", såsom modstande, der anvendes i MRAMs, MAGNETORESISTIVE erindringer. Nu rolle Chua, hvis du har mulighed for at læse, eh en forklaring ved hjælp af kredsløb teori. For kredsløbet teori til at arbejde, skal Maxwells ligninger er elementer såsom ledningsevne, dielektrisk konstant og suscebilidade magenetic: de så tre parametre, R, K og L. Daih, at være et parameter med diskontinuitet (dvs.> record) ikke kan strække materialet direkte til Maxwells ligninger for håndtering af denne diskontinuitet, at eh, processen med at gå fra den ene til den anden.
Exixte også kondensatorer og spoler med hukommelse med hukommelse.
Nu, HP følte sig tvunget til at forsøge at vælte patentet til at Samsungs hukommelse ved hjælp af resistiv oxider elementosde overgang, såsom titan, nikkel, kobolt, kobber mv. Disse materialer er allerede ved at blive undersøgt til otte år til at gøre bare en Memristor. Sai derefter HP med dette crap, men HP og de kan trække det og tilpasse godt.
Det vigtigste punkt eh, der allerede eksisterer, fordi det ikke har været anvendt. HP har en enhed med en dårlig kvalitet af hukommelse. Men, som det kan bruges som et forbigående to stater, kan derefter bruges i logik. Men den hastighed og repeterbarhed af en sådan komponent poe ham i tvivl som en del af almindelig brug.
Også er der en stor modeling fejl ved Williams i denne enhed - han mener, eh classico udveksling af ilt ledige stillinger. I virkeligheden, hva 'kvante bevægelse af elektroner i d-orbitaler af titanium type. De mangler af ilt simplesment soltal indsamle elektroner eller elektroner, men de er stadig mest er i krystallinsk matris. William har ikke kuglerne til dette og ikke godt undersøgt processen med kvante konduktans af elektroner, daih, bruger den klassiske ligninger for et kvantespring virkning og kommer ud med noget "ikke estah eller forkert," som Linus Pauling.