Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 2 – vyšlo 9. ledna, ročník 7 (2009) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

2/2009

Memristor – čtvrtá pasivní elektronická součástka

Petr Kulhánek

Na základní škole jsme se učili o třech elektronických součástkách – odporu, kondenzátoru a cívce. Možná jim učitelé dávali vznešenější názvy (rezistor, kapacitor a induktor), ale to na věci nic nemění. Již v 70. letech bylo zřejmé, že by logicky měla tento trojúhelník doplňovat i součástka čtvrtá, tzv. paměťový odpor neboli memristor. V roce 2008 se poslední střípek do součástkové skládanky podařilo objevit v laboratořích společnosti Hewlett Packard.

Situace mi poněkud připomíná objev pozitronuPozitron – antičástice k elektronu. Teoreticky existenci pozitronu předpověděl Paul Dirac v roce 1928. Experimentálně ho objevil v kosmickém záření Carl Anderson v roce 1932., jehož existenci předpověděl P. A. M. Dirac v roce 1928 a v roce 1932 ho objevil C. Anderson na fotografiích stop sekundárních částic kosmického zářeníKosmické záření – proud částic nejrůznějšího původu přilétající z vesmíru. Při interakci s atmosférou vzniká sprška milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na zemském povrchu mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření je majoritním zdrojem antihmoty na naší planetě. Může vznikat v supernovách, pulzarech, aktivních galaktických jádrech, atd. Naprostá většina částic kosmického záření, okolo 88 %, jsou protony, přibližně 10 % jsou jádra hélia (alfa záření), 1 % elektrony a pozitrony a 1 % těžké prvky. Kosmické záření má naprosto nejširší spektrum energií ze všech dodnes známých jevů. Mnohé částice, které se dnes vědci pokoušejí nalézt v moderních urychlovačích, se mohou nacházet právě v kosmickém záření. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Victorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 300 metrů. S rostoucí výškou stoupala ionizace atmosféry, a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. v mlžné komoře. Stopa pozitronu byla v magnetickém poli zakřivena na opačnou stranu než stopa obyčejného elektronuElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932.. Zanedlouho po objevu se ukázalo, že na fotografiích z mnoha jiných pracovišť byly takové stopy fotografovány již dlouho, jen nikoho nenapadlo, že nejde o elektron, ale o jeho antičástici. Štěstí zkrátka přeje jen připraveným. Voltampérové charakteristiky odpovídající memristoru byly měřeny u různých nanovrstev již od 60. let, nicméně byly vysvětlovány různým komplikovaným náhradním zapojením jiných součástek. Teprve po ohlášení objevu memristoru vědci v řadě laboratoří zjistili, že memristorové chování pozorovali již dávno na nejrůznějších systémech. Pojďme se s objevem memristoru seznámit podrobněji.

Elektrický náboj – základní kvantový náboj elektromagnetické interakce. Elektrický náboj označujeme Q, jednotkou je coulomb (C). Nejmenším volným nábojem je náboj elektronu (1,6×10−19 C), jde o tzv. elementární náboj. Elektrický proud – elektrický náboj proteklý daným místem za jednotku času, I = dQ/dt. Elektrický proud označujeme I, jednotkou je ampér (A = C/s). Elektrické napětí – rozdíl elektrického potenciálu mezi dvěma místy, jde o elektrickou intenzitu sečtenou podél křivky mezi těmito body U = ∫E·dl. Napětí označujeme U, jednotkou je volt (V). Magnetický indukční tok – tok magnetické indukce přesčítaný přes určitou plochu, Φ = ∫∫B·dS. Magnetický indukční tok značíme Φ, jednotou je weber (Wb = T·m2).

Léta sedmdesátá – předpověď existence memristoru

V roce 1971 se Leon Chua, profesor Kalifornské univerzity v BerkeleyUCB – University of California at Berkeley. Požadavky na vznik Kalifornské univerzity pocházejí již z roku 1849, vlastní univerzita byla založena v roce 1866, nejznámější část (UCLA) sídlí v Los Angeles. Berkeleyská část vznikla v roce 1873., zabýval symetriemi ve vztazích popisujících tři tehdy známé pasivní součástky – rezistor, kondenzátor a cívku. Mezi základní veličiny v elektrickém obvodu patří napětí, proud, náboj a magnetický tok. Z nich lze sestavit šest dvojic, mezi kterými existují jednoduché matematické vztahy. Dvě dvojice jsou provázány přes časovou derivaci:

I = dQ/dt ,

U = – dΦ/dt.

První vztah je definičním vztahem pro elektrický proud (náboj proteklý za jednotku času), druhý vztah představuje Faradayův indukční zákon (generované napětí je úměrné časové změně magnetického indukčního toku). Znaménko minus u druhého vztahu vyjadřuje skutečnost, že vzniklé napětí působí proti změně, která ho vyvolala. Zbývají ještě čtyři dvojice sestavené ze základních obvodových veličin: (U,I), (I,Φ ), (Φ,Q), (Q,U). Pro tři dosud známé součástky platí mezi veličinami ve zbývajících dvojicích lineární vztahy. Leon Chua doplnil tyto vztahy lineární závislostí pro poslední dvojici a zavedl tak hypotetickou součástku – memristor:

Jednotlivé dvojice obvodových veličin jsou propojeny
jednoduchými vztahy. Zdroj: Nature.

součástka	vztah	vlastnost	impedanceUCB – University of California at Berkeley. Požadavky na vznik Kalifornské univerzity pocházejí již z roku 1849, vlastní univerzita byla založena v roce 1866, nejznámější část (UCLA) sídlí v Los Angeles. Berkeleyská část vznikla v roce 1873. (U = XI)
rezistor (odpor)	dU = R dI	R odpor	XR reaktance
kapacitor (kondenzátor)	dQ = C dU	C kapacita	XC kapacitance
induktor (cívka)	dΦ = L dI	L indukčnost	XL induktance
memristor (paměťový odpor)	dΦ = M dQ	M memodpor	XM memrezistance

Koeficienty úměrnosti představují charakteristickou vlastnost dané součástky (R je odpor, L indukčnost, C kapacita a M memodpor). U nelineárních součástek je jejich charakteristická vlastnost funkcí příslušné nezávislé proměnné, tj. R = R(I), C = C(U), L = L(I) a M = M(Q). Memristor nelze žádným způsobem složit z ostatních tří pasivních součástek, jeho vlastnostem se ale lze do jisté míry přiblížit obvodem s aktivními součástkami. Základní vlastností memristoru je, že si „pamatuje“ množství proteklého náboje a podle toho se mění jeho odpor.

Objev memristoru, jeho princip a vlastnosti

Memristor byl objeven při výzkumu nanostruktur v roce 2008 v laboratořích Hewlett Packard (v kalifornském Palo Alto) v týmu vedeném inženýrem Stanleyem Williamsem. Již delší dobu byla na některých nanostrukturách pozorována anomální hystereze ve voltampérové charakteristice (proměnný odpor, jehož hodnota závisí na minulosti nanostruktury), nikdo však nedokázal takové chování spolehlivě vysvětlit. Williamsův tým nejprve navrhl analytický model na atomární úrovni. Šlo o polovodičovou vrstvu složenou ze dvou oblastí – dotované s nízkým odporem a nedotované s velmi vysokým odporem (odpor polovodiče silně závisí na množství atomů vhodných příměsí). Poté tým vyrobil první obvod ze 17 sériově propojených memristorů.

Jednoduchý model memristoru. Memristor se chová jako součástka s výsledným odporem R daným sériovým zapojením dotované a nedotované oblasti s odpory R₁a R₂. Hodnoty jednotlivých odporů a tím i celkového odporu závisí na poloze w rozhraní obou oblastí v polovodiči. Při protékání proudu dochází k přemisťování náboje (včetně děr a tím i dotované příměsi). Poloha rozhraní se tak mění v závislosti na proteklém náboji. Začne-li téct proud opačným směrem, rozhraní mezi oblastmi se bude pohybovat na druhou stranu. Teoreticky tak součástka může měnit polohu rozhraní w od nuly do celé šířky vrstvy a tím odpor od nekonečna do nuly, prakticky od megaohmů po miliohmy. Po odpojení proudu si součástka ponechá aktuální odpor. Svou funkcí je tato součástka podobná reostatuReostat – regulovatelný rezistor, v minulosti byl většinou realizován odporovým drátem navinutým na izolačním tělese s posuvným jezdcem. Dnes se k regulaci výkonu spotřebičů využívají jiné, zejména polovodičové součástky. nebo potenciometru, jezdcem (rozhraním) však nikdo nehýbe, nastavuje se automaticky podle množství proteklého náboje. Zdroj: Hewlett Packard.

Voltampérová charakteristika memristoru, odezva na přivedené střídavé napětí. Na horním grafu je časový průběh napětí (modře) a proudu (zeleně). Hodnoty jsou vztaženy k maximálním zjištěným hodnotám. Na prostředním diagramu je časová závislost šířky rozhraní w (vztažené k celkové šířce polovodiče). Na spodním obrázku je VA charakteristika (závislost proudu na napětí, která jeví typickou hysterezi. Odezva na jiný než sinusový signál je samozřejmě složitější. Zdroj: Hewlett Packard.

Skutečná součástka vyrobená v laboratořích Hewlett Packard. Jde o obvod ze 17 memristorů – pásků z polovodiče TiO₂ o tloušťce 50 nm (pouhých 150 atomů). Každý pásek má podélné rozhraní mezi vodivou a nevodivou oblastí. Pásky jsou propojené platinovým drátkem. Snímek byl pořízen mikroskopem atomárních silAFM – Atomic Force Microscope, mikroskop atomárních sil, zařízení skenující povrch materiálu pomocí hrotu zavěšeného na pružném výkyvném raménku. Hrot je přitahován k povrchu elektrostatickými a van der Waalsovými silami. Sledování pohybu raménka (zpravidla laserem) umožní rekonstruovat třírozměrný obraz povrchu studovaného materiálu. Mikroskop je tak citlivý, že může sledovat jednotlivé atomy. AFM mikroskop byl vynalezen v roce 1986 Gerdem Binningem, Calvinem Quatem a Christophem Gerberem.. Zdroj: Hewlett Packard.

Využití memristorů

Nové typy pamětí

Memristorová paměť může zaznamenávat více stavů než 0 a 1 v současných pamětech. Záznam je trvalý (aktuální hodnotu odporu memristoru je možné kdykoli přečíst) a nepotřebuje trvalé připojení napětí. Počet zápisových cyklů je neomezený, zjištění zaznamenané hodnoty velmi rychlé. V budoucnu by to mohlo znamenat spojení pomalé paměti disku (nepotřebuje k uchování zápisu napětí) a rychlé operační paměti (potřebuje k uchování zápisu napětí) do jediného celku.

Elektronika

Možnost řízeného záznamu odporu součástky může mít aplikace při realizaci rychlých signálových přepínačů, v měřicích přístrojích pro snadné nastavení rozsahu a nulové hodnoty, pro automatické ovládání senzorů na základě sledovaného signálu, atd. Memristory mohou najít využití při převodu analogového a digitálního signálu, při další miniaturizaci logických obvodů i v mnoha dalších aplikacích.

Biologické systémy a analogový počítač

SynapseSynapse – spojení dvou neuronů (nebo smyslové buňky a neuronu), sloužící k předávání vzruchů. neuronů se chovají obdobně jako memristor. Jejich odpor má nastavitelnou hodnotu, která po průběhu vzruchu zůstává na aktuální hodnotě. Objev memristoru tak může znamenat zásadní průlom ve výzkumu činnosti lidského mozku. Spojitě měnitelný odpor může nabývat nekonečně mnoha stavů (na rozdíl od 0 a 1 v dnešních digitálních počítačích). Analogový počítač založený na velkém množství obvodů s memristory by se stal funkčním elektronickým modelem mozku. Umělá inteligence již nemusí být pouhým snem.

V druhé polovině roku 2008 provedli zajímavý výzkum Yuriy V. Pershin, Steven La Fontaine a Massimiliano Di Ventra z Kalifornské univerzity v San Diegu. Sledovali améby a jejich reakce na opakované ponoření do prostředí s nevhodnou teplotou a vlhkostí. Améby na takový podnět reagují změnou své rychlosti a svým způsobem se „učí“. Pokud byla opakovaně améba ponořena (se stejnými časovými rozestupy) do nevhodného prostředí, začala její rychlost vykazovat tlumené oscilace, améba jako by očekávala další ponoření. I po dosti dlouhé době poté stačilo amébu ponořit do nevhodného prostředí již jen jednou a její rychlost začala oscilovat stejným způsobem – améba očekávala, že budou následovat další ponoření jako v předchozím případě. Na tom asi není nic divného. Améba je sice primitivní, ale přesto živý organizmus a to, že se učí nikoho nepřekvapí. Nicméně stejné chování vykazuje RLCM obvod dle následujícího schématu. Ponoření améby do nevhodného prostředí koresponduje s napěťovým pulzem a odezvou je namísto rychlosti améby měřené napětí. Naměřené signály se pro amébu i jednoduchý obvod nápadně podobaly; parametry obvodu byly voleny tak, aby frekvence LC obvodu odpovídala době mezi ponořeními a odpor R útlumu. Nepochybně je o první praktický krok při simulaci funkce paměti živého organizmu elektronickou součástkou. Blížíme se tak skutečně pochopení funkce lidské paměti a inteligentního života?

Klip týdne: Memristor

Memristor. V roce 2008 byl v laboratořích Hewlett Packard nalezen dlouho očekávaný čtvrtý pasivní prvek elektrických obvodů – memristor. Jde o součástku s dvěma vývody, která má proměnný odpor a „pamatuje“ si poslední hodnotu odporu. Je tvořena dvěma oblastmi polovodiče, dotovanou s nízkým odporem a nedotovanou s vysokým odporem. Hranice mezi oběma oblastmi závisí na protékaném proudu (jím se přesouvají náboje). Na poloze této hranice závisí výsledný odpor součástky. Součástka jeví hysterezi na voltampérové charakteristice. Předpokládá se, že ji bude možné využít ve výpočetní technice jako nový typ analogové paměti. Vzhledem k tomu, že obdobnou charakteristiku má synapse neuronů, bylo by možné na základě memristorů simulovat paměťové procesy v lidském mozku. Memristor by tak mohl představovat velký posun ve výzkumu umělé inteligence. Prototyp připravený v laboratořích Hewlett Packard byl tvořen 17 nanoproužky (každý proužek je složen z dotované a nedotované nanovrstvy). Nanoproužky byly pospojovány platinovým drátkem. (avi/divx, 8 MB)

Odkazy