Memristor

En memristor - navnet er et koffertord fra engelsk minne (minne) og motstand (elektrisk motstand) - er en hypotetisk passiv elektrisk komponent som har en elektrisk motstand mellom de to forbindelsene som øker eller avtar når ladningen strømmer gjennom den, avhengig av retningen . Hvis det ikke er strøm, er spenningen null og motstanden beholdes. Memristoren ble sett på som den fjerde grunnleggende passive komponenten , ved siden av motstanden , kondensatoren og spolen . Imidlertid har det blitt vist at det bare kan være tre grunnleggende passive komponenter og at memristoren er en aktiv komponent.

Ulike komponenter under utvikling som oppfører seg omtrent som postulert blir også referert til som memristorer. Integrerte kretser med mange slike elementer bør kombinere databehandling og lagring og er egnet for nevrale nettverk .

historie

Leon Chua , fra University of California, Berkeley , beskrev memristoren og dens egenskaper allerede i 1971, som på den tiden ikke eksisterte som en passiv komponent. Den første fysiske realiseringen av en tynnfilmskompositt med slike egenskaper ble kunngjort i 2007. I april 2008 presenterte forskere fra Hewlett-Packard en relativt enkel lagdelt kompositt laget av titandioksid med platinaelektroder som en memristor. I slutten av august 2010 ble det vist i arbeid av Jun Yao fra Rice University at til og med enkelt silisiumdioksid fungerer som et lagmateriale.

I juli 2012 ble det uttalt kritikk om at beskrivelsen av det fysiske konseptet for såkalte "memristive systems" kunne være i strid med Landauer-prinsippet , et grunnleggende prinsipp for informasjonsbehandling. Denne kritikken angående de grunnleggende problemene med memrister-konseptet ble bekreftet av Di Ventra og Pershin i 2013. Forfatterne stiller imidlertid ikke spørsmålstegn ved mulige anvendelser av komponentene som har samme oppførsel.

konstruksjon

Memristor laget av dopet titandioksid. Over: lav elektrisk ledningsevne; under: høy elektrisk ledningsevne

I 2007 ble en statisk versjon av memristeren produsert for første gang under Richard Stanley Williams . Denne memristoren lagrer tilstanden i kjemisk form gjennom inkorporering av dopingatomer i en halvleder .

Memristoren produsert av Hewlett-Packard består av et titandioksydlag noen få nanometer tykt mellom to platinaelektroder. Den høyre delen av titandioksydlaget som er farget på bildet, er dopet med oksygenvakanser (p-doping) og har høy elektrisk ledningsevne. Den venstre delen av titandioksydlaget er en isolator. Når et elektrisk felt påføres, driver oksygen ledige stillinger, noe som får romladingssonen til å skifte. Dette reduserer tykkelsen på isolasjonslaget. Etter hvert som tykkelsen av isolasjonslaget blir mindre, ledningsevnen til Memristor øker, med den tunnel virkning ( feltavgi ) spiller en vesentlig rolle.

Eksperimentelt er en slik memristor karakterisert i et u / i-diagram av en hysteresekurve som går nesten gjennom koordinatens nullpunkt (klemt hysteresesløyfe), se tilgrensende skisse. Memristorens tilstand er preget av plasseringen av skillelinjen mellom de forskjellige dopede områdene.

Rice University memristor fra 2010 er preget av en enda enklere struktur. Den består av et 5 til 20 nanometer tykt silisiumdioksydlag mellom ledende dopet silisiumlag. Et ekstra lag med grafen som opprinnelig var ment å være aktiv, viste seg å være overflødig. Komponenten trenger da bare to tilkoblinger som en motstand (i motsetning til tre i en flash-minnecelle) og kan implementeres ekstremt billig på et område på ca. 10 nm kantlengde og på grunn av den enkle strukturen. Funksjonen er at i oksydlaget, når programmeringsspenningen påføres, ordner baner laget av rene silisium-nanokrystaller (uten oksygen, krystaller hver ca. 5 nanometer lange) seg til å danne en ledende struktur som kan ødelegges gjentatte ganger og reproduserbart av en annen spenning.

Funksjonsligninger

Hysteresekurve for memristoren som en funksjon av vinkelfrekvensen ω med ω ₁  <  ω ₂

Klassifisering av memristoren i de grunnleggende elektriske parametrene

En memristor er definert som en komponent der strømmen og den elektriske ladningen q er koblet via en tidsuavhengig, generelt ikke-lineær funksjon . Denne memristansfunksjonen er definert av hastigheten på endring av strømmen med ladningen: ${\ displaystyle \ textstyle \ Phi = \ Phi _ {0} + \ int _ {0} ^ {t} U (t) \ mathrm {d} t}$ ${\ displaystyle \ Phi = f (q)}$

${\ displaystyle M (q) = {\ frac {\ mathrm {d} \ Phi} {\ mathrm {d} q}}}$

Mengden kalles (inkrementell) memristance eller memristivity og har enheten ohm (Ω). Den magnetiske strømmen er definert av tidsintegralen til terminalspenningen som påføres memristoren (se spenningstidsområde ) og har SI- enheten Weber (Wb). Faktisk, når en elektrisk spenning påføres, blir det ikke opprettet noe magnetisk felt på memristoren, ideelt sett vurdert. I motsetning til den elektriske spolen dannes det også et elektrisk felt inne i memristoren som tilsvarer spenningen som påføres utenfra. Sirkulasjonsspenningen (indusert spenning) i kretsen er derfor null, slik at ingen induksjon finner sted. ${\ displaystyle M}$ ${\ displaystyle \ Phi}$${\ displaystyle U (t)}$

Memristorens oppførsel utfyller altså de tre andre grunnleggende komponentene

Her er den elektriske ladningen, den elektriske strømmen, den elektriske spenningen og (magnetiske) strømmen. ${\ displaystyle q}$${\ displaystyle I}$${\ displaystyle U}$${\ displaystyle \ Phi}$

Som vist gjelder forholdene

${\ displaystyle I (t) = {\ frac {\ mathrm {d} q} {\ mathrm {d} t}}}$

og

${\ displaystyle U (t) = {\ frac {\ mathrm {d} \ Phi} {\ mathrm {d} t}}}$

Spenningen U ved en memristor avhenger direkte av memristansen via gjeldende I :

${\ displaystyle U (t) = M (q (t)) \ cdot I (t)}$

For hvert øyeblikk oppfører en memristor seg som en normal motstand, men "motstanden" M ( q ) avhenger av strømmen. En lineær memristor (med konstant M ) kan ikke skilles fra en elektrisk motstand med M  =  R.

Det motsatte gjelder gjeldende I :

${\ displaystyle I (t) = W (\ Phi (t)) \ cdot U (t)}$

Med

${\ displaystyle W (\ Phi (t)) = M (q (t)) ^ {- 1} = {\ frac {\ mathrm {d} q} {\ mathrm {d} \ Phi}}}$

Mengden W kalles inkrementell konduktans og har enheten Siemens (S) .

Ladningen som er lagret i memristoren er integralen av den elektriske strømmen over tid

${\ displaystyle q (t) = \ int \ limits _ {- \ infty} ^ {t} I (t) \ \ mathrm {d} t = q (t_ {0}) + \ int \ limits _ {t_ { 0}} ^ {t} I (t) \ \ mathrm {d} t}$,

mens strømmen i memristoren er gitt av integralen av den elektriske spenningen over tid.

${\ displaystyle \ Phi (t) = \ int \ limits _ {- \ infty} ^ {t} U (t) \ \ mathrm {d} t = \ Phi (t_ {0}) + \ int \ limits _ { t_ {0}} ^ {t} U (t) \ \ mathrm {d} t}$

I praktisk implementering er denne integrasjonen verken ubegrenset eller lineær på grunn av det begrensede antallet ladebærere, men den har en ensformig profil.

Den elektriske kraften P omgjort i memristoren er gitt av

${\ displaystyle P (t) = U (t) \ cdot I (t) = M (q (t)) \ cdot I (t) ^ {2} = {\ frac {U (t) ^ {2}} {M (q (t))}}}$

Ettersom dette er den Memristor er en passiv enhet som gjelder for også . ${\ displaystyle M (q (t)) \ geq 0}$${\ displaystyle P (t) \ geq 0}$

Hypotetisk anvendelse

Midlertidig symbol på en minner foreslått av Chua, ikke standardisert

De første prototypene og prøvene av memristorer ble produsert i 2007, og kretskombinasjoner som memristors ble utviklet de neste årene . Fra og med 2013 kan ikke praktiske applikasjoner forutses. Det kan imidlertid tenkes at memristorer kan erstatte transistorer i områder der det ikke er behov for forsterkning . Imidlertid er det ingen praktiske bevis for denne erstatningen i form av memristorer tilgjengelig på markedet.

I mai 2008 hadde forskerne ved Hewlett-Packard kommet seg ut i 15 nanometerområdet . I 2020 utviklet forskere en "memristor" som fungerer ved elektriske spenninger under 100 mV. Den “hukommelse transistor” laget av ledende mikrobielle nanotråder av den Geobacter sulfurreducens bakterien tillater drift gjennom aksjonspotensialer av naturlige nerveceller og kan behandle biosensor signaler lokalt. Teknologien kan brukes til hjerneinspirert databehandling og / som direkte kommunikasjon med biologiske hjerneceller .

Patenter på memristorer inkluderer applikasjoner innen programmerbar logikk , elektronisk signalbehandling , kunstige nevrale nettverk og kontrollsystemer .

Nevrister

I form av neuristorer skal memristorer kunne fungere som biologiske synapser og angivelig forutbestemte dem for applikasjoner innen kunstig intelligens .

Oppbevaring

Strømforbruket til minner med memristorer som lagringselement er langt lavere enn strømforbruket til konvensjonelle DRAM- brikker. Imidlertid oppnår de ikke-flyktige memristorene for øyeblikket bare rundt en tidel av hastigheten til sistnevnte. En annen fordel er den høye tettheten av pakningen . "Tverrstang" lagringssystem presentert av HP har en pakningstetthet på 100  Gibit / cm², mens lagringsenhetene som er tilgjengelige i samme periode har en tetthet på 16 Gibit / cm². Memristorer kan produseres ved hjelp av samme prosesser som halvlederstrukturer og kan derfor integreres i mikroelektroniske kretser.

I tillegg til det mye lavere strømforbruket, vil datamaskiner som er utstyrt med memristorer inkludere tilbyr også fordelen av å være klar til bruk umiddelbart etter at den er slått på uten å starte opp . Memristoren beholder minneinnholdet når det leses opp med vekselstrøm.

litteratur

• Dmitri B. Strukov, Gregory S. Snider, Duncan R. Stewart, R. Stanley Williams: Den savnede memristoren funnet . I: Natur . teip 453 , nr. 7191 , 1. april 2008, s. 80-83 , doi : 10.1038 / nature06932 . 
• R. Stanley Williams: Hvordan vi fant den savnede memristoren . I: IEEE-spektrum . teip 45 , nei. 12 , 2008, s. 28-35 ( spectrum.ieee.org ). 
• Yogesh N. Joglekar, Stephen J. Wolf: Den unnvikende memristoren: egenskaper til grunnleggende elektriske kretser . arxiv : 0807.3994 . 
• Frank Y. Wang: Memristor for innledende fysikk . arxiv : 0808.0286 . 

weblenker

Wiktionary: Memristor  - forklaringer på betydninger, ordets opprinnelse, synonymer, oversettelser

• Interaktiv database med vitenskapelige artikler om memristor .
• Helmut Martin-Jung: Superlageret i nano . sueddeutsche.de, 8. juli 2010
• Jamie Beckett: Avmystifisering av memristoren: Bevis på fjerde grunnleggende kretselement kan transformere databehandling . HP Labs, april 2008, siterer: "Når det gjelder menneskelige hjernelignende egenskaper, kan memristor-teknologi en dag føre til datasystemer som kan huske og knytte mønstre på en måte som ligner på hvordan folk gjør."
• Video: HPs Stan Williams forklarer memristoren . IEEE Spectrum. Hentet 7. august 2010.
• Video: Animasjon av strømspenningskarakteristikken til en memristor for forskjellige frekvenser . Wolfram demonstrasjonsprosjekt.

Individuelle bevis

1. ↑ Sascha Vongehr, Xiangkang Meng: Den manglende memristoren er ikke funnet. Vitenskapelige rapporter 5, 2015, doi: 10.1038 / srep11657 (gratis fulltekst).
2. ↑ Isaac Abraham: Saken for å avvise memristoren som et grunnleggende kretselement . I: Vitenskapelige rapporter . 2018, doi : 10.1038 / s41598-018-29394-7 .  (fri fulltekst).
3. ↑ Satyajeet Sahoo, SRS Prabaharan: Nano-Ionic Solid State Resistive Memories (Re-RAM): A Review . I: Journal of Nanoscience and Nanotechnology , 17, 2017, doi: 10.1166 / jnn.2017.12805 ; researchgate.net (PDF).
4. ↑ Olga Krestinskaya, Alex Pappachen James, Leon O. Chua: Neuro-memristive kretser for Edge Computing: En gjennomgang. arXiv: 1807.00962 , 2018.
5. ^ Leon O. Chua: Memristor - The Missing Circuit Element. I: IEEE Transactions on Circuit Theory. 1971 ( ieeeghn.org (PDF) åpnet 16. mai 2010).
6. ↑ Q. Wang, DS Shang, ZH Wu, LD Chen, XM Li: "Positiv" og "negativ" elektrisk pulsindusert reversibel motstandsbrytereffekt i Pr0.7Ca0.3MnO3-filmer. I: Appl. Phys. A , 86, 2007, s. 357-360.
7. ↑ HP Labs: Memristor funnet: HP Labs viser det fjerde integrerte kretselementet
8. ↑ Jun Yao et al.: Resistive Switches and Memories from Silicon Oxide. Nano Lett. 10, 2010, doi: 10.1021 / nl102255r .
9. ↑ Christof Windeck: Memristor laget av silisiumoksyd nanotråder. Heise-Newsticker, 2. september 2010.
10. ^ P. Meuffels, R. Soni: Fundamental Issues and Problems in the Realization of Memristors " . Arxiv : 1207.7319v1 ([cond-mat.mes-hall]). 
11. ↑ Massimiliano Di Ventra, Pershin, Yuriy V.: Om de fysiske egenskapene til Memristive, memcapacitive og meminductive system . I: Nanoteknologi . 24, nr. 25, 2013. arxiv : 1302.7063 . bibcode : 2013Nanot..24y5201D . doi : 10.1088 / 0957-4484 / 24/25/255201 .
12. ↑ Massimiliano Di Ventra, Yuriy V. Pershin: Memcomputing: et databehandlingsparadigme for å lagre og behandle informasjon på samme fysiske plattform. Nature Physics 9, 2013, doi: , arxiv: 1211,4487 .
13. ↑ Jonathan Fildes: Få mer ut av Moores lov . BBC, september 2007.
14. ↑ Bulletin for elektro- og elektronikkingeniører i Oregon (PDF) september 2007
15. ↑ Dmitri B. Strukov, Gregory S. Snider, Duncan R. Stewart, Stanley R. Williams: The missing Memristor funnet. I: Natur. 453, 2008, s. 80-83.
16. ↑ Chris Mellor: HP 100TB Memristor stasjoner ved 2018 - hvis du er heldig, innrømmer tech titan . Registeret, november 2013.
17. ↑ Forskere avdekker elektronikk som etterligner hjernen i effektiv, biologisk læring (en) . I: Office of News & Media Relations | UMass Amherst . Hentet 26. september 2020. 
18. ^ Forskere lager små enheter som fungerer som den menneskelige hjerne (en) . I: The Independent , 20. april 2020. Hentet 17. mai 2020. 
19. ↑ Forskere avdekker elektronikk som etterligner menneskets hjerne i effektiv læring (en) . I: phys.org . Hentet 17. mai 2020. 
20. ↑ Tianda Fu, Xiaomeng Liu, Hongyan Gao, Joy E. Ward, Xiaorong Liu, Bing Yin, Zhongrui Wang, Ye Zhuo, David JF Walker, J. Joshua Yang, Jianhan Chen, Derek R. Lovley, Jun Yao: Bioinspired bio- spenningsdempere . I: Nature Communications . 11, nr. 1, 20. april 2020, s. 1861. bibcode : 2020NatCo..11.1861F . doi : 10.1038 / s41467-020-15759-y . PMID 32313096 . PMC 7171104 (fulltekst).
21. ↑ Patent US7203789 . ‌
22. ↑ Patent US7302513 . ‌
23. ↑ Patent US7359888 . ‌
24. ↑ Patent US7609086 : Tverrstangskontrollkrets . Publisert 27. oktober 2009 , Oppfinner: Blaise Laurent Mouttet. ‌
25. ^ John Markoff: HP rapporterer store fremskritt innen design av minnebrikker . New York Times , 1. mai 2008.
26. ↑ HP oppfinner elektrisk motstand med minne . heise online, 1. mai 2008
27. ^ Ethan Gutmann, Opprettholde Moores lov med nye memristorkretser . Ars Technica, mai 2008