Memristor

En memristor er en passiv komponent i elektroniske kretser. Memristoren er beskrevet som den fjerde elementære passive komponent, på linje med kondensator, motstand og spole. Betegnelsen memristor er en sammentrekning av memory og resistor, hukommelse og motstand.

En memristor lagrer i prinsippet informasjon, fordi resistansen endrer verdi som funksjon av den elektriske ladning (eller totalstrøm) som har gått gjennom komponenten. Her regnes ladning algebraisk, altså med fortegn. En vanlig motstand har omtrent samme resistans uavhengig av strømstyrke og hvor mye ladning som har gått gjennom motstanden. En memristor er en variabel motstand der resistansen avhenger av historien.

Det var Leon Ong Chua ved Berkeley universitetet i USA som fant opp begrepet «memristor» i 1971. Dette var da en rent teoretisk komponent, uten at noen ennå hadde laget noe slikt. Det var antagelig^{[trenger referanse]} Stanley Williams ved Hewlett-Packard Laboratoriene i Palo Alto, California som lagde de første praktiske memristorer, ca. 2007. Man håper nå at memristoren i fremtiden skal få stor betydning innen elektronikk og informatikk (AI).

Ideen og oppfinnelsen

I 1971 var Leon Ong Chua en ung elektronikk- og dataingeniør midt i tredveårene. Han hadde nettopp fått seg jobb hos Universitetet i California, Berkeley. Chua var heller matematisk og teoretisk orientert. Han undret seg over at elektronikk ikke var formelt matematisk fundert. Han ønsket da å lage en matematisk "grunnmur" for elektronikk. Det var da han oppdaget at "noe" manglet. Han studerte de fire fundamentale størrelser i elektronikk:

1. Elektrisk ladning, Q
2. Endring av ladning med tiden, altså elektrisk strøm I, I=dQ/dt
3. Magnetisk fluks Ø ("lages" av strømmer), (oppdaget av den danske fysiker Ørsted ca. 1820)
4. Spenning, U, som "settes opp" av magnetisk fluks som endrer seg med tiden (oppdaget av den engelske fysiker Faraday ca.1830) U=-dØ/dt

Wikipedia Common

Matematikken forteller at fire ting kan forbindes på seks måter. Hvis man tegner fire ringer og ser hvor mange streker fra en ring til en annen vi kan få, ser vi det blir i alt seks streker eller forbindelseslinjer.

Ladning og strøm er forbundet gjennom definisjonen av strømstyrke I=dQ/dt i 2. Dette var strek nr. 1, øverst på tegningen.
Magnetisk fluks Ø og spenning U er relatert ved Faradays induksjonslov U=-dØ/dt i 4. Dette var strek nr. 2, nederst på tegningen.
En motstand er en komponent som når det går strøm gjennom den, "lager" en spenning. U=RI, ohms lov, strek nr. 3, i midten av tegningen.
For en gitt spenning, vil en kondensator lagre en bestemt mengde ladning, C=Q/U. Strek nr. 4, til venstre på tegningen.
Når en strøm går gjennom en spole, får vi en fluks. Ø=LI. Strek nr. 5, til høyre på tegningen.

Vi har altså fem forbindelser, men da må det mangle en sjette og siste forbindelse mente Chua i 1971. De to størrelser som ikke hadde forbindelse, var ladning og fluks. Han mente det burde være en ny type komponent som forbinder ladning og fluks. Han arbeidet da med hva slags komponent dette burde være, og hvilke egenskaper en slik komponent skulle ha. Han kom frem til at den nye komponenten skulle generere spenning fra strøm, omtrent som en motstand, men på en ny og dynamisk måte. Chua regnet seg frem til at motstanden skulle "huske" hvor mye strøm/ladning som hadde gått gjennom, og han fant derfor på betegnelsen "memristor". Men det skulle gå 37 år før selve komponenten skulle bli virkelighet.

Fysikk og formler

Memristoren er en elektronisk komponent der den magnetiske fluks Ø er en funksjon av den samlede elektriske ladning Q som har passert komponenten. Med matematikk blir dette
M(Q)= dØ/dQ der Q = ladning, og M kalles memristansen til memristoren.

For de tre gamle fundamentale komponenter har vi til sammenlikning:
Resistansen til en motstand : R( I ) = dV/dI (eller for lineær motstand : U=RI som de fleste gjenkjennersom ohms lov)
Induktansen til en spole : L( I ) = dØ/dI (eller hvis linearitet : Ø=LI, def. på induktans)
Kapasitans til kondensator : 1/C( Q ) = dV/dQ (eller ved linearitet : Q=CU, def. på kapasitans til kondensator)

I likningene over brukes symbolene
Q = elektrisk ladning
I = strøm
U = spenning
Ø = magnetisk fluks

Ved å bruke Faradays induksjonslov og kjerneregelen for derivasjon på definisjonslikningen til memristans får vi :
U(t)=M(Q(t))*I(t)
Vi ser altså at i ethvert tidspunkt vil memristoren oppføre seg som en vanlig motstand, husk U=RI. Memristansen M har altså benevningen ohm og er resistansen til memristoren i ethvert øyeblikk.

De første virkelige memristorer

Memristor var altså bare en tenkt elektronikk komponent fra 1971 helt frem til 2007. Bare få forskere arbeidet med problemstillinger knyttet til memristorer, og Chua selv var en av disse. Interessen for memristoren ble igjen vakt til live i 2007 da Stanley Williams ved Hewlett-Packard hadde en artikkel der han oppga å ha laget en eksperimentell faststoff versjon av memristoren.

Også Samsung har levert inn en U.S. patent, med en memristor som likner på den som er beskrevet av Stanley. Vi vet altså fremdeles ikke hvilken forskergruppe som har klart å lage de første menristorer.

Mulige anvendelser

Memristorer brukes fremdeles ikke i kommersiell elektronikk. Det er noe usikkert hvor stor betydning denne nye komponenten vil få, og på hvilke områder. Noen mener at ikke-flyktig minne til datamaskiner (hard-disker og flash-minne) er et mulig område. Både lagringstetthet og tilgangstid kan kanskje bli bedre enn med dagens teknologi. Et interessant område er som forbindelse mellom kunstige nevroner, altså som kunstige synapser.

Chua selv omtaler nå også det han kaller memkondensatorer og meminduktorer, og arbeider videre med sine teorier om fundamentale komponenter i elektronikk. Han mener at memkondensatorer kan blir minst like nyttige som memristorer, fordi de ikke har resistans.