Harminchét éve sejtették, hogy létezik, de egészen mostanáig senkinek sem sikerült megépítenie a negyedik passzív áramköri elemnek is tartott „emlékező ellenállást”, a memrisztort. Az áttöréshez a nanoelektronika eredményeire volt szükség: a HP Labs kutatói szerint – akik a felfedezésről a Nature hasábjain számoltak be – az alkatrész végig ott volt a szemünk előtt, csak azért nem vettük észre, mert korábban hiányoztak ehhez a képleteink és az eszközeink. A memrisztor – állítják – forradalmi áttörés, amely a számítástechnikában a maiaknál gyorsabb és egyszerűbb nemfelejtő memóriák vagy nagyobb időtávlatban neuronszámítógépek alapeleme lehet.
Chua jóslata
A memrisztor létezését Leon Ong Chua, egy Fülöp-szigeteki születésű, de akkoriban már a Kaliforniai Egyetem berkeley-i campusán kutató villamosmérnök sejtette meg először. 1971-ben publikált tanulmányában azt fejtegette, hogy a szimmetria elve alapján léteznie kell az ellenállás, a kondenzátor és az induktor (tekercs) mellett egy negyedik passzív áramköri elemnek is. Ezt a memory resistor kifejezésből szóösszevonással memrisztornak nevezte el. Azt feltételezte, hogy ez az eszköz alapvetően egy olyan ellenállás, amelynek értéke a rajta áthaladó áramtól függ, de amely az áram megszűnése után is „emlékszik” erre az értékre.
A szimmetria (Illusztráció: J. J. Yang, HP Labs)
Az eszközt azonban sem Chuának, sem másnak nem sikerült megépítenie, ezért több mint harminc éven át csak egy összetett matematikai bizonyításra épülő hipotézisnek számított. Néhány éve azonban a HP Labs egyik kutatói csoportja nanoelektronikai kísérletek során szokatlan jelenségeket tapasztalt. „Igen vad dolgokat csináltak, és nem tudtuk kitalálni, hogy mi történik” – mesélt az IEEE Spectrum-nak a felfedezéshez vezető út kezdetéről Stanley Williams, a team vezetője, akinek később egy kollégája hívta fel a figyelmét Chua majdnem elfeledett cikkére. A kutató elolvasta, majd újraolvasta, majd még számtalanszor újraolvasta a tanulmányt, mikor rájött, hogy az általuk készített molekuláris eszközök valójában memrisztorok voltak.
Emlékezetből ellenáll
A memrisztor abban különbözik a többi passzív elemtől, hogy emlékszik arra, hogy mi történt vele. Ha az áramot kikapcsoljuk, megjegyzi annak erősségét és azt is hogy mennyi ideig, milyen irányból folyt át rajta. Ez a tulajdonság nem állítható elő egyszerűen ellenállások, kondenzátorok vagy tekercsek kombinációjával, ezért is tekinthető a memrisztor a negyedik elektronikai elemnek. Chua maga is csak egy esetlen prototípust tudott készíteni, a „memrisztancia” mint egy adott anyag tulajdonsága mindaddig nem vált felismerhetővé, amíg a nanométeres struktúrák kutatása napirendre nem került.
Williams és csapata egy új félvezetőben találta meg a memrisztor ideális alapanyagát. „A HP kutatói titán-dioxiddal dolgoztak. Ez a szilíciummal ellentétben egy oxid típusú félvezető – ilyeneket már jó ideje használunk, például hőmérsékletmérésre –, amely mindenképpen a jövő anyagai közé tartozik” – magyarázza lapunknak dr. Mojzes Imre, a BME Elektronikai Technológia Tanszékének professzora, akit azért kerestünk meg, hogy segítsen megérteni az új elem működését és jelentőségét. „A titán-dioxid a minőségi fehér festék alapanyaga is, de nanováltozatában a fényvédő krémekben is használják. Bár tiszta állapotában nagy ellenállású, adalékolással félvezetőként is használható. Ám míg az adalékok a hagyományos félvezető eszközeinkben fix helyet foglalnak el a kristályrácsban, addig a titán-dioxidban vándorolnak, és ezáltal olyan speciális tulajdonságok jelentkeznek, mint például amilyennel a memrisztor rendelkezik” – mondja. Willamsék egy vékony titán-dioxid réteget hoztak létre, amelynek csak egyik oldalát adalékolták, az adalékok pedig árammal átmozgathatók a másik oldalra, és így tetszőlegesen változtatható az anyag ellenállása.
Jobb memóriák, neuroszámítógépek
A HP Labs most a memrisztor gyárthatóságát kutatja, és azt is vizsgálja, hogy miként lehet a titán-dioxid elemet szilíciumchipekre integrálni – Williams elmondása szerint a laboratóriumban már tesztelnek is ilyen hibrid áramkört. Rövid távon ezeket nemfelejtő memóriák készítésére lehetne használni, olyanokéra, melyek ezerszer gyorsabbak, mint a merevlemezek, miközben jóval kevesebb energiával is beérik. Ezekkel például egy akkumulátortöltéssel tovább működőképes hordozható készülékeket lehetne gyártani, vagy olyan számítógépeket, amelyek bekapcsolás után azonnal felállnak. De általánosságban is elmondható, hogy a memrisztorok alkalmazásával számos áramkört egyszerűbbé és energiatakarékosabbá lehetne tenni.
A HP kutatói által készített memrisztorok
Williams hosszabb távon elképzelhetőnek tartja olyan számítógépek építését is, amelyek nem a Boole-algebrára és a kettes számrendszerre épülnek. „Nem állítom azt, hogy egy emberi agyat akarunk építeni, de valami olyasmit igen, ami úgy működik, mint az agy” – mondja. Erre Chua szerint is van esély, mivel az agysejtek közötti kapcsolódást biztosító szinapszisok is hasonló tulajdonságokat mutatnak, mint a memrisztorok, ezért ezekkel elektronikusan emulálhatók.
Bármi is valósul meg ezekből az elképzelésekből, Chua szerint a HP Labs kutatóinak felfedezése igazi paradigmaváltás: az áramköri elemek tervezésében olyan újdonság, mint ha a periódusos rendszerhez egy új elemet adtunk volna. Legalábbis „az összes villamosmérnöki tankönyvet át kell írni” – lelkendezett.
Mojzes professzor is úgy véli, hogy jelentős felfedezésről van szó, amely hosszabb távra megalapozhatja a chipgyártás jövőjét. „Itt egy jellegzetes nanoelektronikai jelenségről van szó, amelyre alapozva idővel termékeket lehet készíteni. Ma nagyjából 2016-ig látjuk a méretcsökkenést a mikro-, illetve nanoelektronikában, addigra körülbelül 6 nanométer környékén lesz az eszközméret. Ilyen szinten a további zsugorítás már fizikai korlátokba ütközik, ezért új elvek, új konstrukciók felfedezésére van szükség. Ezért is mondhatjuk azt, hogy a memrisztor, ha úgy tetszik, nagyon jókor jött, mert az áramköri filozófiát is meg kell újítani” – mondja.
