The Mysterious Memristor

von Sally Adee

First Published Mai 2008

Forscher bei HP haben das Geheimnis des Widerstandes gelöst 37 Jahre der Erinnerung, als das 4. Element von elektrischen Schaltungen fehlen.

Zunächst Mai 2008 - Wer mit Elektrizität und Elektronik vertraut ist, weiß, dass es einen Dreiklang der wichtigsten Elemente in elektrischen Strom, Widerstand, Kondensator und Spule. Im Jahr 1971, der University of California in Berkeley, prognostizierte ein Ingenieur, dass es ein viertes Element electric: eine Art von Widerstand mit Speicher oder Memristor werden sollte. Aber bis dahin niemand wusste, wie man dieses Element zu bauen. Jetzt, 37 Jahre später wurde die Maschine schließlich klein genug, um die Geheimnisse des vierten elektrischen Element sichtbar wird. Die Memristor infolge der Forscher bei Hewlett-Packard (HP) zeigte heute in der Natur, wurde vor den Augen aller für eine lange Zeit in die elektrischen Eigenschaften bestimmter Nanometer-Bauteilen versteckte versteckt. Sie glauben, dass das neue Element einen neuen Weg für den Einsatz in random access memory nichtflüchtigen öffnen kann, und auch realistischer neuronale Netze geträumt, anstatt künstlicher neuronaler Netze (eines der aktuellen Techniken in Artificial Intelligence) angewandt wird.

Die Geschichte der Memristor beginnt fast vier Jahrzehnten mit einem Einblick in die Pionier der Theorie der nichtlinearen Schaltung Leon Chua. Die Untersuchung der Beziehung zwischen elektrischer Ladung und magnetischen Flusses in elektrischen Widerständen, Kondensatoren und Induktivitäten in einem Artikel im Jahre 1971 geschrieben, Chua postuliert die Existenz einer vierten Element, das er als elektrische Widerstand Speicher. Ein solches Gerät sollte eine Verbindung zwischen dem magnetischen Fluss und die elektrische Ladung, ähnlich wie bei einem elektrischen Widerstand, daß, wenn die Spannung und Strom ausgesetzt würde. In der Praxis würde dies bedeuten, dass er als ein elektrischer Widerstand, deren elektrischer Widerstand Wert kann je nach den elektrischen Strom durch sie diente, und dass es den Wert des elektrischen Stroms erinnere mich auch nach der elektrische Strom ist verschwunden.

Aber die hypothetischen Gerät wurde die mangelnde Vereinbarkeit von konstruktiven Zeit mit der Mathematik, dass die Wirkung Memristivo, erklärt bewertet, aber das war nicht sichtbar, um das Gerät 1971. Dreißig Jahre später, ein Kollege bei HP, Stanley Williams, mit seiner Arbeitsgruppe arbeitet an der molekularen Elektronik als sie anfingen, seltsames Verhalten in ihren Geräten vorbehalten. "Sie waren wirklich Dinge, die wir nicht verstehen", sagt Williams. So dass Ihre Mitarbeiter von HP, Greg Snider, wiederentdeckt Artikel Chua's von 1971. Er sagte: "Hey Jungs, ich weiß nicht, was wir haben, aber das ist was wir wollen.", Erinnert sich Williams. Williams verbrachte mehrere Jahre mit dem Lesen der Seiten des Artikels Chua. "Er (der Artikel) verbrachte mehrere Jahre klopfte mir auf den Kopf." Dann Williams konnte ihre molekularen Geräte bauen und ein wirklich Memristors bekommen. "Er schlug mich zwischen die Augen."

Der Grund dafür, dass die Memristor radikal unterscheidet sich von anderen elektrischen Elemente von grundlegender Bedeutung ist, dass im Gegensatz zu ihnen, eine Erinnerung an die Vergangenheit führt. Wenn Sie den Stromkreis zu wechseln, die Memristor erinnert sich noch, wie viel war der Wert, um es vor dem Herunterfahren angewendet. Dies ist ein Effekt, der nicht durch eine Schaltung Kombination von Widerständen, Kondensatoren und Induktivitäten, das ist, was unterscheidet den Memristor und gilt als eine grundlegende Schaltelement kopiert werden kann.

Die klassische Analogie für eine elektrische Widerstand ist ein Rohr, durch das Wasser (Strom) geht. Die Breite des Rohres ist analog zum elektrischen Widerstand, dass der Stromfluss durch die Röhre - je enger die Röhre können, desto größer ist der elektrische Widerstand. Die Widerstände haben eine normale Rohrgröße invariant unter dem Einfluss von Strom und Spannung. Eine Memristor, auf der anderen Seite ändert sich mit der Menge von Wasser fließt durch die Röhre, oder Kabel. Wenn Sie das Wasser durch das Rohr schieben in eine bestimmte Richtung, wird das Rohr größer (weniger Widerstand). Wenn Sie das Wasser fallen zu lassen in die andere Richtung, wird das Rohr kleineren (mehr resistiv), besteht aus einem Memristor charakteristisch. Wenn die Strömung von Wasser nicht mehr bewegt, wird die Leitung-Größe nicht mehr ändern. Dieser Mechanismus kann technisch repliziert mit Transistoren und Kondensatoren werden, aber, sagt Williams, "er benutzt viele Transistoren und Kondensatoren, die Verwendung eines einzigen Memristor zu machen."

Die Erinnerung an den Memristor hat Folgen: die normalen digitalen Computer muss neu gestartet werden jedesmal, wenn sie verbunden sind, da ihre Logikschaltungen nicht in der Lage sind, behalten ihre Bits nach Stromzufuhr unterbrochen ist. Aber weil ein Memristor die alten Spannungen auf sie angewandt erinnern kann, einen Computer mit neuen Komponenten wie Memristor gebaut nie neu gestartet werden müssen. "Sie alle Ihre Dateien, Dokumente und Tabellen geöffnet lassen können, schalten Sie Ihren Computer und gehen trinken Sie eine Tasse Kaffee oder fahren in den Urlaub für zwei Wochen", sagt Williams. "Beim Einschalten, wenn Sie Ihren Computer und alles wird sofort auf dem Bildschirm genau so, wie Sie es verlassen haben."

Chua abgeleitet die Existenz der Memristor der mathematischen Beziehungen zwischen den vier grundlegenden Mengen von elektrischen Schaltungen. Die vier Prinzipschaltbild Mengen (Ladung, Strom, Spannung und magnetischer Fluss) können einander in sechs verschiedene Weise miteinander verknüpft werden. Zwei Mengen werden von den Grundgesetzen der Physik fallen, und drei werden durch die grundlegenden Elemente der elektrischen Schaltkreisen bekannt (Widerstand, Kondensator und Spule) fallen, sagt der Elektrotechnik-Professor David Vallancourt der Columbia University. Auf dieser Grundlage schlug die Chua Memristor lediglich eine Klasse von Bauelementen auf eine Beziehung zwischen den elektrischen Ladungen und magnetischen Flusses auf.

Chua interpretiert die Arbeit der Mitarbeiter von HP als Paradigma in der Zeit verschoben. Er vergleicht die Zugabe von Memristor, das Heer der Schaltelemente, wie würden Sie die Summe der ein neues Element im Periodensystem, "jetzt alle Handbücher für Elektrotechnik (EE) müssen geändert werden", sagt er.

Also, warum jemand nicht vor dem Memristência bemerkt? Chua hat in der Tat ein Memristor produziert im Jahr 1970 mit einer Kombination von undurchführbar Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, und Verstärker nur als "Proof of Concept. Aber Memristor als eine Eigenschaft eines elektrischen Ausrüstung war bis vor kurzem zu subtil, davon Gebrauch zu machen. Die Memristência verdeckt durch andere elektrische Auswirkungen von größerer Bedeutung, bis man diesen Effekt in Materialien und andere Geräte, die in nanometrischen Größen gebaut werden sehen.

Das Fehlen eines Antrags auf Memristência war besonders kompliziert, es gab keine Notwendigkeit, Memristência gelten. Kein Ingenieur sagte: "Wenn wir nur ein Memristor hatte, können wir so etwas tun!", Sagt Vallancourt. In der Tat, Vallancourt, der seit Lehrmethoden von elektrischen Schaltungen für Jahr, noch nie gehört, von Memristência sprechen, bevor in dieser Woche.

Je kleiner der Maßstab, an dem die Ingenieure und Wissenschaftler bauen ihre Geräte stärker spürbar die Wirkung der Memristor, sagt Chua, heute Dozent in Berkeley.

Es gab mehrere Hinweise auf die Existenz der Memristor der Anfang. "Wir wussten funny Spannungs-Kennlinien in der Literatur in den letzten 50 Jahren", sagt Williams. "Ich ging in den alten Artikeln und die Bilder gesehen und sagte:" Ja, sie haben Memristência, und wir wussten nicht, wie sie zu interpretieren. "

"Ohne die Gleichungen der Schaltung Chua's, können Sie machen keinen Gebrauch von diesem Gerät", sagt Williams. Wir haben alle die Schaltung Gleichungen falsch. Vergleicht man sie mit einem Motor einer Waschmaschine, wären die gleichen wie das Austauschen der Elektromotor der Maschine durch einen Verbrennungsmotor, warum er nicht läuft. "Memristor Williams fand ein Ideal in der Titandioxid - Material und weiße Farbe Sonnenschutzmittel. Da Silizium, ist Titandioxid (TiO2) ein Halbleiter in seiner reinen Form ist hochohmiger. Es kann jedoch mit anderen Elementen dotiert sein, damit es sehr leitfähig. Die TiO2 dotiert ist nicht stationär in einem hohen elektrischen Feld, neigt sie dazu, in die Richtung des elektrischen Stromes treiben. Diese Mobilität ist ein Gift, um einen Transistor, aber die Ergebnisse in genau den gewünschten Effekt in einem Memristor. Die Platzierung eines Spannungs-Ebene durch eine dünne Schicht von TiO2 dotierten Halbleiter nur auf einer Seite, weil der Rückgang des elektrischen Widerstandes. Die Verschiebung des elektrischen Stromes in einer anderen Richtung an, dann drücken Sie wieder die Dotierstoff, wodurch sich der elektrische Widerstand des TiO2.

Die HP Labs wurde untersucht, wie die Memristors von TiO2 und andere Materialien zusätzlich zu versuchen, die Physik dahinter zu verstehen herzustellen. Sie haben auch die Perspektive auf Memristors auf einem einzelnen Silizium-Chip zu integrieren. Die Gruppe der HP ist eine Art Hybrid-Silizium-CMOS-Memristor in den Tests.

Die Auswirkungen auf Aspekte der elektrischen Schaltkreisen kann die Gefühle des Augenblicks. Die Anträge müssen identifiziert werden, weil die einzigartigen Eigenschaften von Memristor bieten Möglichkeiten, die noch nicht von Komponenten der heute bedeckt.

Williams ist in Verhandlungen mit mehreren technischen Labors und Neurowissenschaft, die seit langem verfolgt haben, Geräte, die biologische neuronale Systeme zu emulieren. Chua sagt, dass Synapsen Verbindungen zwischen Neuronen, ein bisschen Verhalten Memristivo. Daher ist ein Memristor die ideale elektronisches Gerät mit einem biologischen Synapse emulieren.

Neugestaltung bestimmter Arten von Schaltungen Memristors gehören, erwartet Williams die gleiche Funktion mit weniger Komponenten, so dass die Schaltung selbst ist billiger und deutlich reduziert, unter anderem als den Verbrauch von Energie. In der Tat, hofft er Memristors mit Elementen traditioneller Schaltung kombinieren, um ein Gerät, das Computer nicht macht Boolean produzieren. "Wir wissen nicht, ob wir ein elektronisches Gehirn bauen, aber wir wollen etwas, das Werk als ein menschliches Gehirn", sagt Williams. Sie glauben, sie können außer Acht lassen "Die Grundidee der Synapse", um einen Computer in erster Linie analoge und effizient. "Einige Dinge, die einen digitalen Computer würde eine nahezu unbegrenzte Zeit in Anspruch nehmen, kann eine analoge computergestützten Memristor würde nur eine leichte Brise nehmen", sagt er.

Der HP-Gruppe ist auch das Studium der Entwicklung einer nicht-flüchtigen Speicher auf Memristor basiert. "Ein Speicher-basierten Memristors kann 1000-mal schneller als Magnetplatten und verbrauchen viel weniger Energie", sagt Williams, sah aus wie ein Kind im Süßwarenladen.

Chua Auffassung, dass die nicht-flüchtigen Speicher die sofortige Anwendung der Memristor ist. "Ich bin sehr glücklich für diesen Bruch durch die feindlichen Linien", sagt er. "In Wirklichkeit ist die nanoskaligen können diesen Effekt dominiert, und Sie finden überall gefällt oder nicht, ich freue mich, den Menschen zeigen die richtige Richtung."

Adaptiert aus dem Text der IEEE Spectrum Online auf dem mysteriösen Memristors von Prof. Dr. Luis Filipe Barbosa Wiltgen - LRA / Feau / UNIVAP - 06. Mai 2008.