Det ukendte kredsløbselement

Det ukendte kredsløbselement

HP vil revolutionere hukommelseschips ved at udnytte et kredsløbselement, som blev teoretisk forudsagt for 35 år siden, men som først nu er realiseret.

De tre kredsløbselementer - modstanden, kondensatoren og spolen - er børnelærdom for alle elektroingeniører. Men kender du det fjerde kredsløbselement, memristoren? Og er du klar over, at det i modsætning til de andre kan huske sin tilstand, selv når strømmen slukkes?

Du kan altså slukke for en computer opbygget med memristorer, tage på tre ugers ferie - og når du kommer hjem og tænder for strømmen igen, åbner dine regneark og andre dokumenter i præcis den tilstand, du efterlod dem i.

Endnu er det et tankeeksperiment, for der er ingen computere, der i dag baserer sig på memristorer, men efter at HP i foråret annoncerede, at nu havde man en fysisk komponent, der virker som en memristor, så er første skridt taget i den retning.

Men præcist hvad er en memristor, og hvorfor har ingen ingeniørstuderende hørt om den i deres uddannelse? Vi skruer tiden tilbage til begyndelsen af 1970'erne.

Den manglende komponent

På Perdue University i USA funderer professor Leon Chua, som i dag er professor ved University of California Berkeley, over kredsløbselementerne. Kredsløbsteori er underlagt Max­wells ligninger for elektromagnetiske felter, og der er følgelig fire forskellige størrelser, der er interessante i et elektrisk kredsløb: spænding, strømstyrke, ladning og magnetisk flux.

Der findes seks forskellige sammenhænge mellem disse fire størrelser. Af disse er to rene definitioner. Strømstyrke er ladning pr. tidsenhed, og spænding er magnetisk flux pr. tidsenhed.

Af de fire tilbageværende kombinationer beskriver resistans forholdet mellem spænding og strømstyrke, kapacitans er forholdet mellem ladning og spænding, og induktans er forholdet mellem magnetisk flux og strømstyrke.

Men hvad med den sidste kombination; forholdet mellem magnetisk flux og ladning, spurgte Leon Chua i en artikel i september 1971 i IEEE Transactions on Circuit Theory med titlen 'Memristor - the missing circuit element'.

Chua viste, at sammenhængen mellem ladning og magnetisk flux svarer til sammenhængen mellem strøm og spænding med en indbygget hukommelse for modstanden. Derfor kaldte han kredsløbselementet for memristor - en sammentrækning af memory-resistor.

Hvis ladning strømmer i et kredsløb i en retning, vil modstanden af en memristor stige. Hvis ladningen strømmer den anden vej, vil modstanden falde. Stoppes ladningens bevægelse, f.eks. ved at slukke for påtrykt spænding, vil komponenten huske den sidste modstandsværdi, den havde, og starte op i denne tilstand, når kredsløbet igen bliver aktivt.

Ethvert element i et kredsløb besidder i princippet flere egenskaber på en gang, men det er overkommeligt at lave kredsløbselementer, der næsten er enten rene resistorer, kapacitorer eller induktorer.

Chua var desuden klar over, at man kunne lave en 'memresistor' ud fra de tre andre kredsløbselementer, men ikke uden at have en indre strømforsyning.

En ren, passiv memristor kunne han ikke finde, og han havde heller ingen idé til, hvordan det skulle gøres. Andre kunne heller ikke, så Chuas artikel blev betraget som en matematisk kuriøsitet.

Elektroingeniører holdt sig til spænding og strømstyrke og overså de følgende år forholdet mellem ladning og flux som en vigtig designparameter.

Genopdagelse af Chuas artikel

Mere end 30 år senere arbejder Stan Williams' forskningsgruppe i HP's laboratorier i Palo Alto i Californien med metoder til lagring af store datamængder.

Hos de store chipproducenter har man længe søgt at gøre transistorer og ledninger mindre og mindre for at få plads til flere transistorer pr. chipareal - forudsætningen for Moores lov.

Problemet er blot, at den stigende grad af miniaturisering betyder, at varmeudvikling og fysiske defekter får større og større betydning.

Hos HP har man udviklet et andet princip til computerchip baseret på en crossbar switch-struktur, hvor en signallinje krydses af to kontrollinjer. Hvert skæringspunkt svarer til en switch på samme måde, som en konventionel transistor kan gøre det.

HP arbejder med omkring 100 milliarder crossbars på en kvadratcentimeter. Stan Williams' gruppe har gennem flere år undersøgt forskellige materialer til at lave disse linjer, bl.a. titaniumdioxid (TiO2), som kendes fra solcremer og hvid maling.

De observerede nogle underlige effekter. Efter Williams' kollega Greg Snider havde genopdaget Chuas gamle artikel , udbrød han: 'Jeg ved ikke, hvad det er, vi ser, men det her er, hvad vi ønsker'.

HP gik endda så vidt, at man for nogle år siden kontaktede Leon Chua og bad ham holde et foredrag om memristoren uden at fortælle, at det nu var den, de var på jagt efter.

Først da Stan Williams var helt overbevist om, at deres TiO2-komponent var en memristor, fortalte HP Chua, at de nu havde fremstillet verdens første memristor.

Sådan virker memristoren

En memristor virker ved en form for hysterese, forklarer Chua. I konven­tionel kredsløbsteori betragtes hysterese som noget unormalt, hvor man ifølge Chua og Williams skal betragte det som en helt fundamental egenskab for passive komponenter.

I ren tilstand har TiO2 en høj modstand. Men når det doteres andre grundstoffer, stiger ledningsevnen.

I TiO2 vil doteringsstofferne ikke være i ro, de vil flytte sig i samme retning som den elektriske strøm.

I en transistor vil en sådan drift være altødelæggende, men det er lige netop det, som behøves i en memristor.

Ved at påtrykke en spændingsforskel over en TiO2-komponent med dotering i den ene ende vil doteringsstoffer bevæge sig ind i det rene TiO2 i den anden ende, og dermed mindskes modstanden. Vender man spændingsforskellen, vil doteringsstofferne løbe tilbage og øge modstanden.

Kommentarer (0)