A HP Labs kutatói megtalálták a 37 éve leírt áramköri alapelemet, a memrisztort

[IEEE Spectrum] Évtizedekkel ezelőtt megjósolt tudományos áttörést értek el a HP Labs kutatói, akiknek a világon elsőként sikerült memória rezisztort, azaz memrisztort kikísérletezniük. Az áttörés középtávon a jelenleginél sokkal gyorsabb és olcsóbb nem-felejtő memóriák gyártását teszi lehetővé, hosszabb távon pedig az emberi agyhoz hasonló áramkörök létrehozásához szolgálhat segítségül. Az újdonságról a Nature magazin májusi számában lehet olvasni.

A memrisztor

Leon Chua

1971-ben a kaliforniai Berkeley egyetem egyik kutatómérnöke (azóta professzora), Leon Chua megjósolta, hogy a kondenzátor, az ellenállás és az induktor (tekercs) mellett létezik egy negyedik áramköri alapelem, a memrisztor (memória rezisztor), amely a rajta átfolyó áram erősségétől és irányától függően változtatja az ellenállását, és ezt azután is megőrzi, hogy az áramot kikapcsolták.

A memrisztor tehát abban különbözik jelentősen a többi áramköri elemtől, hogy memóriája van -- ha lekapcsoljuk az áramot, a memrisztor "emlékezik" arra, hogy milyen erős volt a rajta átfolyó áram és továbbra is megtartja az ellenállását. Ezt a képességet a többi áramköri alapelem semmiféle kombinációjával nem lehet reprodukálni, ezért lesz a memrisztor a kondenzátorhoz, ellenálláshoz és induktorhoz hasonlóan áramköri alapelem. Leon Chua 37 évvel ezelőtt matematikai egyenletek formájában leírta a memrisztor viselkedését, és készített is egy bonyolult, kezdetleges prototípust.

Évtizedekkel később a HP Labs tudóscsapata Stanley Williams vezetésével molekuláris elektronikai eszközökön dolgozva különös jelenségekre lett figyelmes. "Nagyon furcsa dolgokat kezdtek művelni, és nem tudtuk rájönni, mi történik" -- mondta Wiiliams. Aztán egyik nap egy másik kutató, Greg Snider felfedezte Chua 1971-ben írt tanulmányát, amelyet Williams figyelmébe ajánlott. Williams saját elmondása szerint éveket töltött Chua tanulmányának újra- és újraolvasásával, mire rádöbbent, hogy az általuk létrehozott molekuláris elektronikai eszköz lényegében nem más, mint egy memrisztor. "Végig ott volt a szemünk előtt."

A vízcső

A memrisztort úgy kell elképzelni, mint egy csövet, amely a rajta áteresztett víz mennyiségétől és irányától függően változtatja a keresztmetszetét, amelyet még akkor is megőriz, ha a vizet elzártuk. Ha a vizet az egyik irányból folyatjuk, a cső keresztmetszete nő, ha a másik irányból, a keresztmetszet szűkül.

A HP Labs csapata a fehér festékek alapjául szolgáló titándioxidot használt a memrisztor megépítéséhez. A szilíciumhoz hasonlóan a titándioxid félvezető, és tiszta állapotban nagy ellenállású. más anyagokkal szennyezve azonban vezetővé válik. A titándioxidban a szennyezők az áram folyásával egyező irányba sodródnak, ez a viselkedés egy tranzisztor esetében nemkívánatos, a memrisztor viszont pont ettől működik. Ha egy vékony titándioxid-réteg egyik oldalára feszültséget adunk, a szennyezők az anyag belsejébe áramolnak, csökkentve az ellenállást -- a feszültséget a másik oldalra adva a szennyezők visszamennek az eredeti helyükre, és az ellenállás nő.

Memrisztor -- ahogy a HP Labs elkészítette

Mire jó?

Tranzisztorok és kondenzátorok segítségével felépíthető egy memrisztor, azonban egy viszonylag nagyméretű és bonyolult struktúra lenne -- vélekedik Williams. A memrisztorok megjelenése az áramkörtervezők arzenáljában hosszú távon jelentősen átalakíthatja az ipart. Memrisztorok segítségével lényegesen leegyszerűsíthetők egyes kapcsolások, így az áramkörök fogyasztása csökkenthető, valamint olcsóbban lehet őket gyártani. Williams máris az emberi agyhoz hasonló működésű áramkörökről beszél, a közeljövőben azonban a memrisztorokat valószínűleg minden eddiginél nagyobb kapacitású, olcsóbb és gyorsabb nem-felejtő memóriák építésére fogják használni.

A HP Labsnál jelenleg azon dolgoznak, hogyan lehet a titándioxidból előállított memrisztort sorozatban gyártani, illetve hogy lehet ilyen struktúrát szilíciumból készült chipre építeni. Williams szerint egy hibrid CMOS memrisztor lapka már most is működik a HP Labs egyik laborjában. A memrisztor létezését először leíró Chua szerint a HP Labs munkája úttörő jelentőségű, már csak abból a szempontból is, hogy az összes elektronikai és villamosságtani könyvet újra kell írni miatta.