Wat zijn memristors en waar zijn ze van toepassing?

De naam "memristor" komt van twee woorden - geheugen en weerstand. Deze micro-elektronische component is een soort passieve component, een weerstand, maar in tegenstelling tot een conventionele weerstand heeft een memristor een soort geheugen.

Het komt erop neer dat de geleider zijn geleidbaarheid verandert in overeenstemming met de hoeveelheid elektrische lading die erdoorheen stroomt - afhankelijk van de waarde van de integraal in de tijd die door de huidige component gaat. Een memristor kan worden beschreven als een tweeterminal met een niet-lineaire CVC en met een bepaalde hysterese.

Een nieuw woord in de wereld van informatica

In de vroege jaren '70 stelde de Amerikaanse professor Leon Chua een theoretisch model voor, waarin de relatie tussen de spanning op het element en de huidige integraal in de tijd werd beschreven.

Jarenlang bleef de theorie van professor Chua een theorie, en pas in 2008 creëerde een groep wetenschappers van Hewlett-Packard, geleid door Stanley Williams, in het laboratorium een ​​monster van een geheugenelement dat zich gedroeg als de theoretisch beschreven memristor, hoewel het verschilde van de voorgestelde memristor eerder theoretisch model.

Het apparaat ondersteunde geen magnetische flux zoals een inductor, accumuleerde geen elektrische lading zoals een condensatoren gedroeg zich helemaal niet als een normale weerstand. Het vierde onderdeel! De geleidende eigenschappen veranderden door chemische transformaties in een tweelaagse titaniumdioxidefilm met een dikte van 5 nm.

De eerste laag van de film is zuurstofarm en daarom, wanneer een elektrische spanning op dit nanoionische apparaat wordt aangelegd (via platina-elektroden), beginnen lege zuurstofplaatsen te migreren tussen de eerste en tweede lagen, wat leidt tot een verandering in de weerstand van het apparaat.

Reeds in dit stadium is het duidelijk dat het hysteresefenomeen het gebruik van memristors als geheugencellen mogelijk maakt en in sommige aspecten van elektronica kunnen ze zichzelf waarschijnlijk vervangen halfgeleider transistors.

Brede vooruitzichten voor de implementatie van memristors

In theorie kan memristor-geheugen sneller en dichter blijken te zijn dan het huidige flash-geheugen, en in de vorm van blokken kan het het hoofdgeheugen vervangen.

Aangezien memristors op de een of andere manier de lading onthouden die door hen is doorgegeven, kunnen computers in principe weigeren het besturingssysteem te laden telkens wanneer de computer wordt aangezet na het afsluiten en, wanneer ingeschakeld, onmiddellijk aan het werk te gaan en de laatste opgeslagen OS-status te hervatten.

Hewlett-Packard en Hynix hebben al verklaard dat de technologie in principe klaar is voor implementatie. In 2014 publiceerden ze hun project voor de 'The Machine'-supercomputer, en in 2016 demonstreerden ze het prototype - met geheugen gebaseerd op memristors en glasvezelcommunicatielijnen. Commercialisering heeft nog niet plaatsgevonden, maar wordt de komende jaren verwacht.

In principe zijn memristors niet alleen geschikt voor het opslaan van gegevens, ze kunnen ook deelnemen aan de verwerking van informatie, bovendien kan dezelfde geheugeneenheid beide functies uitvoeren.

Hypothetisch zullen memristors in de nabije toekomst helpen kunstmatige synapsen te creëren als onderdeel van kunstmatige neurale netwerken, en kunnen producten worden gebouwd op standaard microchip-apparatuur. Een memristor gedraagt ​​zich op een vergelijkbare manier als een synaps: hoe groter het signaal erdoorheen gaat, hoe beter het het signaal in de toekomst passeert.

Over het algemeen zijn de vooruitzichten voor de implementatie van memristors vrij breed. Energiezuinige computersystemen met dynamisch geheugen met de mogelijkheid om de huidige status te behouden, zelfs nadat de stroom is uitgeschakeld - dit is een zeer sterke sprong voorwaarts.

Aan de horizon, althans, een verbeterde klasse van geïntegreerde schakelingen waarin de voordelen van condensatoren en inductanties (in termen van het vermogen om hun toestand te behouden) zullen worden bereikt op nanoschaal. Teledetectie, kunstmatige neuromorfe biologische systemen, enz.

Gezien het toenemende gebruik van cloud computing en de moderne schaal van Big data, zal de behoefte aan krachtige hardwarecomponenten alleen maar toenemen, wat betekent dat het begin van de snelle groei van de memristor-markt slechts een kwestie van tijd is. Als we bovendien rekening houden met het vooruitzicht (met de introductie van memristors) van een toenemende productiviteit met een verlaging van de warmteopwekking, wordt het logisch dat in de nabije toekomst de problemen in verband met de huidige complexiteit van memristors als producten worden overwonnen.

Hier zijn slechts tien grote industriële spelers vandaag: HP Development Company LP, Fujitsu, IBM, Adesto Technologies Corporation, SK Hynix, Crossbar, Rambus, HRL Laboratories LLC en Knowm, Inc.

Kunstmatig brein is net om de hoek

Natuurlijk is de praktijk nog ver weg, maar de contouren van het idee doemen al op. De menselijke hersenschors heeft een synapsdichtheid van 1.000.000.000 per vierkante centimeter, maar voor al zijn complexiteit verbruiken de synapsen in de hersenen een extreem laag vermogen. Hun niet-lineaire dynamiek en hun vermogen om decennia lang herinneringen te bewaren, hebben wetenschappers altijd verbaasd.

Het doel van het creëren van een elektronisch hersenmodel met elektronische synapsequivalenten leek onbereikbaar. Maar vandaag, wanneer het werk aan memristor-apparaten aan de gang is, hebben ingenieurs hoop gekregen om de reproductie van de architectuur van een echt brein te benaderen op basis van elektronica, in staat zich aan te passen aan de omgeving.