Cosa sono i memristor e dove sono applicabili?

Il nome "memristor" deriva da due parole: memoria e resistenza. Questo componente microelettronico è una sorta di componente passivo, un resistore, ma a differenza di un resistore convenzionale, un memristor ha un tipo di memoria.

La linea di fondo è che il memristor cambia la sua conduttività in base alla quantità di carica elettrica che lo attraversa - a seconda del valore dell'integrale nel tempo che passa attraverso il componente corrente. Un memristor può essere descritto come un due terminali con un CVC non lineare e con una certa isteresi.

Una nuova parola nel mondo dell'informatica

All'inizio degli anni '70, il professore americano Leon Chua propose un modello teorico, che descriveva la relazione tra la tensione applicata all'elemento e l'integrale corrente nel tempo.

Per molti anni la teoria del professor Chua è rimasta una teoria e solo nel 2008 un gruppo di scienziati di Hewlett-Packard, guidato da Stanley Williams, ha creato in laboratorio un campione di un elemento di memoria che si comportava come un memristor teoricamente descritto, sebbene fosse diverso dal memristor proposto modello teorico precedente.

Il dispositivo non supportava il flusso magnetico come un induttore, non accumulava una carica elettrica come un condensatoree non si comportava affatto come un normale resistore. Il quarto componente! Le sue proprietà conduttive sono cambiate a causa delle trasformazioni chimiche in un film di biossido di titanio a due strati spesso 5 nm.

Il primo strato del film è impoverito di ossigeno, e quindi, quando viene applicata una tensione elettrica a questo dispositivo nanoionico (attraverso elettrodi di platino), i siti di ossigeno liberi iniziano a migrare tra il primo e il secondo strato, il che porta a un cambiamento nella resistenza del dispositivo.

Già in questa fase è chiaro che il fenomeno dell'isteresi consente l'uso di memristori come celle di memoria e in alcuni aspetti dell'elettronica è probabile che possano sostituirsi transistor a semiconduttore.

Ampie prospettive per l'implementazione dei memristor

In teoria, la memoria memristor può rivelarsi più veloce e più densa della memoria flash comune oggi e sotto forma di blocchi può sostituire la memoria principale.

Dato che i memristor in qualche modo memorizzano l'accusa passata attraverso di loro, in linea di principio ciò consentirebbe ai computer di rifiutare di caricare il sistema operativo ogni volta che il computer viene acceso dopo lo spegnimento e, quando acceso, di iniziare immediatamente il lavoro, riprendendolo dall'ultimo stato del sistema operativo salvato.

Hewlett-Packard e Hynix hanno già dichiarato che la tecnologia è praticamente pronta per l'implementazione. Nel 2014, hanno pubblicato il loro progetto per il supercomputer "The Machine" e nel 2016 hanno dimostrato il suo prototipo, con memoria basata su memristor e linee di comunicazione in fibra ottica. La commercializzazione non è ancora avvenuta, ma è prevista nei prossimi anni.

In linea di principio, i memristor sono adatti non solo alla memorizzazione dei dati, ma possono anche partecipare all'elaborazione delle informazioni, inoltre, la stessa unità di memoria può eseguire entrambe le funzioni.

Ipoteticamente, nel prossimo futuro, i memristori aiuteranno a creare sinapsi artificiali come parte delle reti neurali artificiali e i prodotti possono essere costruiti su apparecchiature microchip standard. Un memristor si comporta in modo molto simile a una sinapsi: più grande è il segnale che lo attraversa, migliore sarà il segnale in futuro.

In generale, le prospettive per l'implementazione dei memristor sono piuttosto ampie. Sistemi di elaborazione ad alta efficienza energetica con memoria dinamica con la capacità di mantenere lo stato attuale anche dopo aver spento l'alimentazione: questo è un grande passo avanti.

All'orizzonte, almeno, una classe migliorata di circuiti integrati in cui i vantaggi di condensatori e induttanze (in termini di capacità di mantenere il loro stato) saranno raggiunti su scala nanometrica. Telerilevamento, sistemi biologici neuromorfi artificiali, ecc.

Dato il crescente utilizzo del cloud computing e la scala moderna dei Big Data, la necessità di potenti componenti hardware non farà che aumentare, il che significa che l'inizio della rapida crescita del mercato dei memristor è solo una questione di tempo. Inoltre, se prendiamo in considerazione la prospettiva (con l'introduzione dei memristor) di aumentare la produttività con la riduzione della dissipazione del calore, diventa logico che nel prossimo futuro saranno superate le difficoltà associate all'attuale complessità dei memristor come prodotti.

Ecco oggi solo dieci importanti attori del settore: HP Development Company LP, Fujitsu, IBM, Adesto Technologies Corporation, SK Hynix, Crossbar, Rambus, HRL Laboratories LLC e Knowm, Inc.

Il cervello artificiale è proprio dietro l'angolo

Certo, la pratica è ancora lontana, ma i contorni dell'idea sono già incombenti. La corteccia cerebrale umana ha una densità di sinapsi di 1.000.000.000 per centimetro quadrato, ma per tutta la sua complessità, le sinapsi nel cervello consumano una potenza estremamente bassa. La loro dinamica non lineare e la capacità di conservare i ricordi per decenni ha sempre stupito gli scienziati.

L'obiettivo di creare un modello elettronico del cervello con equivalenti di sinapsi elettroniche sembrava irraggiungibile. Ma oggi, quando è in corso il lavoro sui dispositivi memristor, gli ingegneri hanno guadagnato la speranza di avvicinarsi alla riproduzione di un'architettura di un cervello reale basato sull'elettronica, in grado di adattarsi all'ambiente.