Jste zde

Memristor - součástka, která možná vrátí věk analogových počítačů

Antonín Vojáček, 14. Květen 2008 - 7:54

Tak od letošního roku je fyzicky na světě kompletně nový typ pasivní dvouvývodové součástky zvané memristor, která se vyznačuje nejen schopností měnit svůj odpor dle velikosti připojeného napětí, ale i po jeho odpojení si nastavenou hodnotu odporu libovolně dlouho pamatovat! Může tak fungovat jako analogová paměť, nebo odporový přepínač, který může díky částečně lineární VA charakteristice teoreticky nabývat nekonečného počtu stavů.

 

Vědcům společnosti HP (Hewlett-Packard) se skoro náhodou povedlo nanotechnologií prakticky realizovat nový typ součástky s vlastnostmi již dříve předvídaného prvku pojmenovaného jako memristor (z kombinace slov memory resistor = paměťový rezistor). Jeho existenci avizoval, matematicky odvodil a definoval již v roce 1971 pan Leon Chua, profesor na Kalifornské Universitě (Berkeley), na základě úvahy o existenci symetrie základních stavebních elektronických prvků. Doposud však nebyla známa technologie, která by popsané matematické závislosti prakticky realizovala v rámci jedné dvouvývodové pasivní součástky.

Vědci z HP pod vedením pana Stanley Williamse téměř náhodnou při výzkumu nanometrových struktur pro nové integrované obvody objevili, že pokud se jinak silně nevodivý polovodičový materiál TiO2 z poloviny nadotuje určitými příměsemi, jeho vodivost se zvýší, a zároveň vykazuje efekt paměťového rezistoru (běžněji anglické označení memristor). Celý následný vývoj memristoru pak dotáhli do konečné realizace součástky a konkrétních funkčních obvodů založených na memristorech vytvořené 15 nm technologií.

Co vedlo k teoretickému vzniku memristoru ?

V roce 1971 pan Chua poznamenal, že existuje 6 matematických vztahů propojující páry 4 základních obvodových proměnných: elektrický proud i, napětí v, náboj q, magnetický tok φ . Jeden z těchto vztahů (náboj je časový integrál proudu) je určen z definice dvou proměnných a další vztah (mag. tok je časový integrál elektromotorické síly nebo napětí) je pak určen Faradayovým indukčním zákonem. Mimo to by však zde měl být čtvrtý základní element popisující zbylé závislosti dle následujícího obrázku 1. Ten chybějící element pan Chua označil jako memristor s memodporem M (memristance), realizující vztah mezi nábojem a magnetickým tokem dφ = M x dq. V případě nelineárního prvku, kde M je funkce náboje q, je VA charakteristika nelineární závislosti mezi nábojem q a mag. tokem φ pro sinusový buzení je frekvenčně nezávislý Lissajousův obrazec a žádnou kombinací nelineárních odporů, kondenzátorů a cívek (indukčností) ho nelze vytvořit. I když pak v roce 1976 pan Chua s panem Kangem ukázali, že například VA charakteristika termistoru, Josephsonovy přechody, neonové trubice a rovněž Hodgkin–Huxleyova modelu neuronu vykazuje známky VA průběhu memristoru, resp. lze je modelovat rovnicemi popisující memristor, nikdy až do současné doby neexistovala přesná realizace memristoru. Až dnes byla prezentována dvouvodičová elektrická součástka, která se chová jako perfektní memristor.

Praktická funkce memristoru

Z praktického hlediska lze funkci memristoru přirovnat, podobně jak se to dělá u klasického rezistoru, k potrubí, kterým protéká voda. V případě memristoru však jde o potrubí, u kterého se mění jeho průměr. Zatímco u běžného odporu je jeho odpor konstantní, což je ekvivalentní nějakému konstantnímu průměru potrubí a klasicky s rostoucím tlakem roste i průtok a obráceně, u memristoru s rostoucím průtokem potrubím jedním směrem jakoby roztahuje a s opačným směrem proudu smršťuje, tzn. u součástky se mění odpor (vodivost). Paměťová schopnost pak tkví v tom, že pokud je v jakékoliv fázi proud obvodem přerušen, memristor si téměř časově neomezeně pomatuje poslední nastavenou hodnotu, tedy přesněji řečeno odpor určený předcházející velikostí vnuceného protékaného proudu.

Z matematického pohledu pak realizuje převodní závislost mezi nábojem a magnetickým tokem, tedy jakoby čtvrtý, dosud chybějící pasivní prvek mozaiky cívka, rezistor, kondenzátor. Samozřejmě někdo může říct, analogový paměťový efekt již prakticky realizuje prvky kondenzátor (pro napětí) a cívka (pro proud), takže memristor není nic světoborného. Opak je však pravdou. Zatímco u kondenzátoru či cívky uchováváme nahromaděnou energii, u memristoru dá se říct měníme a uchováváme stav (vlastnost / hodnotu) součástky, konkrétně její vodivost (nebo chcete-li odpor). To má důsledek v tom, že napětí zde čistě slouží jen pro čtení stavu.

Z pohledu přírody se pak memristor chová jako synapse neuronu v mozku, tzn. tvoří záznamový prvek neuronu a tedy i našeho mozku. Protože jako funkce je spojitá (analogová), bylo by možné s jeho pomocí již relativně snadno vytvořit funkční elektronickou kopii mozku, tedy prakticky analogový počítač, kde neexistují jen dva stavy (log. 0 a 1), ale nekonečně mnoho stavů. Objev a realizace memristoru tedy zásadně do budoucna mění možnosti návrhu a výroby integrovaných obvodů.

 

  

Obr. 1: Čtyři vyobrazené dvouvodičové obvodové prvky (jednobrany): rezistor, kondenzátor, cívka, memristor tvoří základní skladbu pasivních součástek. Dosud nerealizovatelný memristor představuje přímou "spojnici" mezi el. nábojem a mag. tokem. M přestavuje převodní konstantu (hodnotu), pojmenovanou jako memrezistivita (memodpor).

Obr. 2: Fyzické provedení rezistorů, kondenzátorů a indukčností (cívek) je všem elektrotechnikům známa. Memristor je realizován jako proužková struktura z materiálu TiO2, která má na jedné straně uměle vytvořené defekty, které zajišťují nejen vodivost jinak nevodivého materiálu, ale i schopnost elektronicky vodivost trvale změnit.

Obr. 3. Detailní fotografie skutečné struktury memristoru tvořeného 17 paralelními proužky polovodiče TiO2 realizovaného vědci laboratoře společnosti Hewlett-Packard

Struktura a princip memristoru vynalezeného vědci HP

Jak již bylo poznamenáno výše, skupina vědců laboratoře Hewlett-Packard, kteří objevili praktickou integrovatelnou realizaci memristoru, k tomu došli náhodou při výzkumu nanometrových struktur oxidu Titanu. Sice již předtím věděli, že odpor oxidu titaničitého TiO2 (titanium dioxide) se mění při jeho vystavení atomům kyslíku, čehož se využívá pro realizaci senzorů kyslíku. Stejného principu se pak využívá i u právě objeveného memristoru.

Memristor je tvořen tenkou vrstvou materiálu polovodiče TiO2 tloušťky D uzavřené mezi dva kovové kontakty (v praxi 5 nm tenkou dvouvrstvou). Ve skutečnosti je memristor realizován jako paralelní kombinace více proužků TiO2 na substrátu napojené na platinový drátek (viz 17 proužků na obrázku 3). Jedna část vrstvy (např. horní vrstvička) je dotovaná příměsí tak, že na některých pozicích chybí některé atomy kyslíku. Tyto žádané defekty krystalu totiž umožňují průchod proudu materiálem, tzn. defekty se uměle zvýšila vodivost tenké vrstvy TiO2. Čím více defektů (děr), tím nižší je odpor (vyšší vodivost). Vznikne tak oblast šířky w s vysokou koncentrací pozitivních iontů (děr), které vytvářejí nízký odpor (RON) a zbylá část polovodiče již příměsi neobsahuje a vodivost je výrazně nižší (odpor vyšší ROFF) - viz obrázek 4. Aplikováním externího napětí v(t) napříč strukturou dochází k driftu děr z jedné části polovodičové struktury na druhou (z oblasti w s vyšší koncentrací příměsí do oblasti (D - w) s koncentrací nižší), čímž se napříč strukturou přenáší náboj. To v důsledku způsobí posun hranice mezi oběma oblastmi (rozšiřování oblasti w). Hodnota w, která určuje distribuci děr v součástce, je tak z matematického pohledu proměnná, jejíž hodnota může být kdekoliv mezi 0 a D a je úměrná náboji q.

Tento pohyb snižuje průměrný odpor celé TiO2 vrstvy. Opačná polarita napětí a přenos náboje v opačném směru pak tlačí díry zpět na původní pozice, což odpor vrstvy opět zvyšuje. Pohyb nosičů náboje pak tvoří elektrický proud, který je tak regulován velikostí přiloženého napětí. Prakticky tak změnou polarity napětí se provádí regulace hodnoty odporu memristoru (zvyšování a snižování) a velikost napětí a doba po kterou je na memristor připojeno určuje jeho odpor (vodivost).

Proces změny vodivosti je pak bezproblémů opakovatelný a tak navíc tak "dokonalý", že lze odpor změnit "od futra k futru", tedy od odporu v řádu Mohmů až po miliohmy, tedy z praktického pohledu od odporu nevodivého izolantu až pro odpor vodiče. To je stav tzv. tvrdého přepnutí (hard switching), kterého se dosáhne buď krátkodobým přiložením velkého napětí, nebo malého napětí po delší dobu. 

Samozřejmě, protože nic není úplně dokonalé, je zde jeden problém. Odpor se obvykle měří přiložením konstantního stejnosměrného napětí a zjištěním protékajícího proudu, čímž se však u memristoru zároveň mění (roste nebo klesá) samotný odpor. Tento problém však lze částečně vyřešit tak, že se k měření použije střídavé napětí, které vygeneruje střídavý proud, který sice bude způsobovat pohyb náboje struktury memristoru, ale střídavě oběma směry, takže z "dlouhodobého pohledu" se střední hodnota odporu memristoru nemění, i když z krátkodobého pohledu odpor střídavě narůstá a klesá ve fázi s proudem a napětím. Amplituda střídavého napětí však nesmí být příliš velká, musí být dokonale symetrická a frekvence naopak co nejvyšší, protože VA charakteristika memristoru není z pohledu velkého signálu lineární, ale nelineární a navíc vykazuje hysterezi, která však na vysokých frekvencích zkolabuje na přímou linku. Pokud aplikované střídavé napětí vykazuje nějaký druh nesymetrie, dosáhne VA charakteristika několikanásobného spojitého stavu.

Zajímavý je pak fakt, že magnetické pole nehraje důležitou roli v mechanismu memrezistence, což je jedna možná příčina toho, proč tento fenomén byl tak dlouho skryt.

  

Obr. 4: Blokové schéma funkce memristoru a jeho náhradní obvod

Obr. 5: Typická VA charakteristika diskrétního memristoru, která vykazuje hysterezi pro tzv. velký signál

Obr. 6. Průběhy střídavého napětí a proudu připojeného na memristor (nahoře), průběhy změny oblasti w (uprostřed) a VA charakteristiky (dole) pro různý střídavý signál: symetrický sinusový napěťový signál (vlevo) a nesymetrický sinusový napěťový signál (vpravo)

Vlastnosti memristoru (paměťového rezistoru) a výhody

  • Automatická změna vodivosti struktury podle velikosti napětí (protékaného proudu)

  • Paměťový efekt = velice dlouhodobé (měsíce) zapamatování si hodnoty vodivosti i po odpojení zdroje

  • Na rozdíl do MRAM nebo FRAM není paměťová funkce skoková, ale lineární

  • Memristor realizuje v jedné součástce zapojení realizovatelné mnoha tranzistory a odpory

  • Trvalé elektrické nastavení hodnoty odporu

  • Zatímco k převodu magnetického pole na statické (indukce na náboj) bylo doposud nutné jít přes dlouhou cestou L ->u->i->C, s pomocí memristoru to lze udělat přímo L->C.

  • Funkce memristoru z matematického hlediska není nová ani nerealizovatelná dnešními aktivními součástkami, ale v podobě memristoru od HP to dělá pouze jedna součástka, jeden prvek z fyzického pohledu.

  • Paměťová funkce memristoru se používáním nemění / neochodí (neomezený počet "nastavovacích cyklů")
  

Obr. 7: Kompletní maticová struktura memristorů je tvořena jako by mřížkou tvořenou propojovacími vodiči a "proužky" dotovaného polovodiče TiO2

Možná použití

I když je memristor horká novinka a ještě vůbec bude chvilku trvat, než se začne nějak komerčně realizovat a vyrábět, již teď se nabízejí možné aplikace pro jejich použití. Zvláště praktické však je to, že žádnou kombinací nelineárních odporů, kondenzátorů a cívek (indukčností) ho nelze nahradit. Proto memristor v kombinaci s dalšími integrovanými obvody by mohl poskytovat nové funkce.

Některé možné aplikace memristorů:

  • Beznapěťová paměť s neomezeným počtem zápisových cyklů - dvoustavovým napětím lze skokově měnit odpor (vodivost) a tím realizovat obvodově super jednoduchou paměťovou buňku, kde 1 bit = 1 memristor.

  • Analogový počítač (elektronický model mozku) - odpor memristoru se mění spojitě a může teoreticky nabývat nekonečně mnoho stavů. Pomocí velké sítě memristorů a sumačních zesilovačů by bylo možné vytvořit ekvivalentní elektronickou verzi mozku

  • Automatické odporové kompenzace - plně elektronická a automatická kompenzace senzorů a měřících obvodů změnou odporu kompenzačního rezistoru na základě signálu např. z teplotního senzoru.

  • Odporové přepínání - napětím řízená odporová "výhybka" pro realizaci rychlých signálových přepínačů.

  • Elektronicky řízené odporové děliče - např. pro možnost elektronického nastavení nuly měřícího rozsahu apod.

  • Elektrické přepínání - umožňuje významné zmenšení logických obvodů a pamětí, výrazně za hranice CMOS struktury.

  • Nové typy D/A převodníků - důležitosti bitu bude odpovídat různá velikost odporu, resp. např. poměru odporového děliče.

  • Asi mnoho dalších aplikací

 

Závěr

Jak vyplývá z odborných informací, analýz a naměřených charakteristik, které jsem našel a nastudoval, je memristor velmi zajímavá a užitečná součástka, která významně přispěje k dalšímu vývoji a realizaci nových, rychlejších, ale menších integrovaných obvodů a potažmo i elektronických přístrojů a zařízení a významně popožene vývoj o velký kus dopředu. V tomto článku jsem se pokusil srozumitelně shrnout o memristoru to, co jsem různě vyčetl v převážně vědeckých a odborných anglických článcích na serverech univerzit nebo renomovaných institucí. Pokud se chcete se více do hloubky zabývat podrobnostmi a výpočty okolo memristoru, vřele doporučuji dokument na serveru http://nature.berkeley.edu/~goster/oster/Memristor.pdf.

Jinak až budou známy další, hlavně praktické podrobnosti o memristoru, dozvíte se to samozřejmě také na stránkách HW serveru.

Antonín Vojáček

DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: 

Komentáře

Dragst - 14. Květen 2008 - 14:40

1 memrezistor = 1byte by snad časem taky nemusel být problém... Pokud se tato součástka uchytí , tak se zřejmě dočkáme paměťových modulů s x-bitovými AD a DA převodníky :-) . Proč ne.