Il Memristor Mysterious

by Sally Adee

Pubblicato il primo maggio 2008

I ricercatori di HP hanno risolto il mistero della resistenza di 37 anni di memoria, considerata l'elemento 4 dei circuiti elettrici assente.

Primo maggio 2008 - Qualcuno che abbia familiarità con l'elettricità e l'elettronica sapere che c'è una triade di elementi chiave di energia elettrica: il resistore, condensatore e induttore. Nel 1971, l'Università della California a Berkeley, un ingegnere ha previsto che ci dovrebbe essere un quarto elemento elettrico: un tipo di resistenza con la memoria, o Memristor. Ma fino ad allora nessuno sapeva come costruire tale elemento. Ora, 37 anni dopo, la macchina è stata finalmente abbastanza piccolo per rivelare i segreti di questo quarto elemento elettrico. Il Memristor costruito da ricercatori della Hewlett-Packard (HP) ha rivelato oggi su Nature, è stato nascosto alla vista di tutti per lungo tempo nascosti nelle caratteristiche elettriche di alcuni tipi di dispositivi nanometrici. Essi ritengono che il nuovo elemento in grado di aprire un nuovo percorso per le applicazioni in memoria ad accesso casuale non volatile, e anche sognato di realistiche reti neurali, invece di reti neurali artificiali (una delle tecniche attualmente applicata in Artificial Intelligence).

La storia del Memristor comincia quasi quattro decenni, con una visione il pioniere della teoria dei circuiti non lineari Leon Chua. Esaminare la relazione tra carica elettrica e di flusso magnetico in resistenze elettriche, condensatori e induttori in un articolo scritto nel 1971, Chua postulato l'esistenza di un quarto elemento che ha chiamato la memoria resistenza elettrica. Tale dispositivo dovrebbe fornire un collegamento tra il flusso magnetico e la carica elettrica, simile ad una resistenza elettrica che avrebbe fatto se sottoposti a tensione e corrente. In pratica, ciò significa che ha prestato servizio come una resistenza elettrica il cui valore di resistenza elettrica può variare a seconda della corrente elettrica che passa attraverso di essa, e che sarebbe ricordare il valore della corrente elettrica, anche dopo la corrente elettrica è scomparso.

Ma il dispositivo ipotetico è stato valutato come la mancanza di compatibilità di tempo costruttivo con la matematica che spiega l'effetto Memristivo, ma che non era visibile al dispositivo del 1971. Trenta anni dopo, un collega di HP, Stanley Williams, e il suo gruppo di ricerca che lavorano nel campo dell'elettronica molecolare quando hanno iniziato a notare strani comportamenti nei loro dispositivi. "Sono stati davvero le cose che non riuscivo a capire", dice Williams. In modo che le dipendenti di HP, Greg Snider, riscoperto l'articolo Chua del 1971. Egli disse: "Ehi ragazzi, non so quello che abbiamo, ma questo è ciò che vogliamo." Ricorda Williams. Williams ha trascorso diversi anni leggendo e rileggendo le pagine di questo articolo Chua. "Egli (l'articolo) ha trascorso diversi anni a bussare alla mia testa." Allora Williams è stato in grado di costruire i loro dispositivi molecolari e ottenere un Memristors davvero. "Lui mi ha colpito tra gli occhi."

La ragione per cui il Memristor è radicalmente diverso da altri elementi elettrici è fondamentale che, a differenza di loro, porta un ricordo del suo passato. Quando si accende il circuito elettrico, i Memristor ricorda ancora quanto è stato il valore applicato prima della chiusura. Questo è un effetto che non può essere ripetuto da qualsiasi combinazione circuito di resistenze, condensatori e induttori, che è ciò che differenzia il Memristor e si qualifica come un elemento fondamentale del circuito.

L'analogia classico per una resistenza elettrica è un tubo attraverso il quale l'acqua (energia elettrica) passa. La larghezza del tubo è analoga alla resistenza elettrica che permette il flusso di corrente elettrica che passa attraverso il tubo - il più stretto il tubo, maggiore è la resistenza elettrica. Le resistenze hanno una invariante normale diametro del tubo sotto l'effetto della corrente e della tensione. A Memristor, d'altro canto, i cambiamenti con la quantità di acqua che fluisce attraverso il tubo, o il cavo. Se si spinge l'acqua attraverso il tubo in una determinata direzione, il tubo diventa più grande (meno resistente). Se si spinge l'acqua nella direzione opposta, il tubo diventa più piccolo (più resistente), è caratteristica di una Memristor. Quando il flusso di acqua smette di muoversi, la dimensione del tubo non cambia più. Questo meccanismo può essere tecnicamente riprodotti utilizzando transistor e condensatori, ma, dice Williams, "egli utilizza transistor e condensatori per rendere l'uso di un unico Memristor".

La memoria del Memristor ha delle conseguenze: i computer normali digitale deve essere riavviato ogni volta che sono collegati, dato che la loro circuiti logici sono in grado di mantenere i loro bit dopo l'accensione viene interrotta. Ma perché un Memristor ricordo l'vecchie tensioni applicate su di esso, non un computer costruito con componenti nuovi come Memristor bisogno di essere riavviato. "È possibile lasciare tutti i tuoi file, documenti e fogli elettronici, spegnere il computer e andare bere una tazza di caffè o di andare in vacanza per due settimane," dice Williams. "Quando si accende, si accende il computer e tutto sarà immediatamente sullo schermo esattamente come lo si era lasciato."

Chua dedotto l'esistenza del Memristor di rapporti matematici tra i quattro quantitativi di base dei circuiti elettrici. I quattro quantità circuito di base (carica, corrente, tensione e flusso magnetico) possono essere collegati gli uni agli altri in sei modi diversi. Due quantità sono coperti dalle leggi fondamentali della fisica, e tre sono coperti dagli elementi di base dei circuiti elettrici noti (resistenze, condensatori e induttori), professore di ingegneria elettrica, dice David Vallancourt alla Columbia University. Sulla base di questa, Chua ha proposto la Memristor esclusivamente come una classe di elementi di un circuito basato su un rapporto tra le cariche elettriche e di flusso magnetico.

Chua interpreta il lavoro del personale di HP come paradigma spostata nel tempo. Egli paragona l'aggiunta di Memristor, l'esercito degli elementi del circuito, proprio come si farebbe con la somma di un nuovo elemento della tavola periodica, "ora tutti i manuali di Ingegneria Elettrica (EE) devono essere cambiate", dice.

Allora, perché qualcuno non aveva notato prima Memristência? Chua ha infatti prodotto un Memristor nel 1970 con una combinazione impraticabile di resistenze, condensatori, induttori, amplificatori e solo come prova di concetto. Memristor, ma come una proprietà di un materiale elettrico è stato, fino a poco tempo, troppo sottile per farne uso. Il Memristência è oscurato da altri effetti elettrici di maggiore rilevanza, fino a vedere questo effetto di materiale e di altri dispositivi che sono costruite in dimensioni nanometriche.

L'assenza di una domanda di Memristência è stato particolarmente complicato, non vi era alcuna necessità di applicare Memristência. Nessun ingegnere ha detto, "Se solo avessimo un Memristor, possiamo fare una cosa simile!", Dice Vallancourt. In realtà, Vallancourt, che è stato l'insegnamento delle tecniche di circuiti elettrici per anni, non aveva mai sentito parlare di Memristência prima di questa settimana.

Minore è la scala a cui gli ingegneri e gli scienziati costruire i loro dispositivi più evidente l'effetto di Memristor, dice Chua, che ora è docente a Berkeley.

Ci sono stati diversi indizi per l'esistenza del Memristor l'inizio. "Sapevamo che le caratteristiche di tensione divertente in letteratura negli ultimi 50 anni", ha detto Williams. "Sono andato a questi vecchi articoli e visto le foto e gli disse: 'Sì, sono Memristência, e noi non sapevamo come interpretare'."

"Senza le equazioni del circuito di Chua, non è possibile fare uso di questo dispositivo," ha detto Williams. Abbiamo utilizzato tutte le equazioni del circuito corretto. Confronto con un motore di una lavatrice, sarebbe lo stesso, come la sostituzione del motore elettrico della macchina con un motore a combustione, chiedendosi perché non funziona ". Memristor Williams trovato un ideale del biossido di titanio - materiale in bianco e vernice la protezione solare. Il silicio, il biossido di titanio (TiO2), è un semiconduttore, nella sua forma pura è altamente resistente. Tuttavia, può essere drogato con altri elementi per renderlo un ottimo conduttore. Il TiO2 drogato non è in sosta in un campo di alta elettrico, esso tende ad andare alla deriva in direzione della corrente elettrica. Tale mobilità è un veleno a un transistor, ma i risultati esattamente l'effetto desiderato in un Memristor. Il posizionamento di un livello di tensione attraverso un sottile strato di TiO2 semiconduttori drogati da un solo lato, in quanto la diminuzione della resistenza elettrica. Lo spostamento di corrente elettrica in un'altra direzione, quindi spingere indietro il drogante, aumentando così la resistenza elettrica di TiO2.

La HP Labs è stata una ricerca sul modo di fabbricare il Memristors di TiO2 e di altri materiali oltre a cercare di capire la fisica dietro di loro. Essi hanno anche la prospettiva di integrare Memristors su un unico chip di silicio. Il gruppo di HP è un tipo di Memristor CMOS ibrido al silicio nei test.

Le implicazioni per gli aspetti di circuiti elettrici possono essere i sentimenti del momento. Le domande devono essere identificato perché non le caratteristiche uniche delle possibilità di offrire Memristor ancora oggetto di componenti di oggi.

Williams è in trattative con diversi laboratori di ingegneria e delle neuroscienze, che sono stati a lungo perseguire i dispositivi che emulano i sistemi neurali biologici. Chua dice che le sinapsi, i collegamenti tra i neuroni, sono un po 'di comportamento Memristivo. Pertanto, una Memristor essere il dispositivo ideale elettronico per emulare una sinapsi biologico.

La riprogettazione di alcuni tipi di circuiti a Memristors, Williams si aspetta che la stessa funzione con il minor numero di componenti, rendendo il circuito stesso è più conveniente e sensibilmente ridotti, anche per quanto il suo consumo di energia. In realtà, egli spera Memristors si combinano con elementi di circuiti tradizionali per produrre un dispositivo che rende la computazione non booleano. "Non sappiamo se stiamo costruendo un cervello elettronico, ma noi vogliamo qualcosa che funziona come un cervello umano", dice Williams. Essi pensano di poter ignorare "l'idea di base della sinapsi" per rendere un computer analogico e soprattutto efficiente. "Alcune cose che un computer digitale potrebbe prendere un tempo quasi infinito, un computer analogico basato Memristor avrebbe preso solo una brezza leggera", dice.

Il gruppo HP ha inoltre sta studiando lo sviluppo di un non-memoria volatile basata su Memristor. "A memoria Memristors base può essere 1000 volte più veloce di dischi magnetici e l'uso di energia molto meno", dice Williams, sembrava un bambino in un negozio di dolciumi.

Chua ritiene che la non-memoria volatile è l'applicazione immediata del Memristor. "Sono molto felice per questo sfondare le linee nemiche", dice. "In realtà la scala nanometrica consente in tal senso diventa dominante, e troverete ovunque si voglia o no, sono lieto di mostrare ai cittadini la giusta direzione".

Adattato dal testo di IEEE Spectrum Online sul Memristors Mysterious dal Prof. Dr. Luis Filipe Barbosa Wiltgen - LRA / Feau / UNIVAP - 06 maggio 2008.