Újra kell írni a villamosmérnökök tankönyveit

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

Hirdetés

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)

A memrisztort megálmodó Leon Chuának magyar kapcsolatai is vannak – tudtuk meg dr. Mojzes Imrétől. A kutató egyrészt az MTA tiszteleti tagja, másrészt évek óta együtt dolgozik a Pázmány Péter Katolikus Egyetemen oktató Roska Tamás akadémikussal a celluláris analogikai számítógép és a bionikus szem elvének kidolgozásán.

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.

Hirdetés

  • Kapcsolódó cégek:
  • HP

Azóta történt

Előzmények