Je leest:

Geheugenweerstand geeft geheimen prijs

Geheugenweerstand geeft geheimen prijs

Auteur: | 19 mei 2011

We moesten er bijna 40 jaar op wachten, maar in 2008 hadden we dan eindelijk een werkend exemplaar van de memristor, een weerstand met geheugen. Triomfantelijk onthaald als het element dat een computerrevolutie zou ontketenen. Maar voordat het zover is, moet eerst de werking van de memristor volledig begrepen worden. Wetenschappers zetten inmiddels voorzichtige stapjes in die richting.

Vind je het ook zo vervelend als je computer weer eens ellenlang doet over het opstarten? Die irritaties zouden in de nabije toekomst wel eens verleden tijd kunnen zijn. Een veelbelovend nieuw stukje elektronica zou de gegevens van je computer ook na uitschakelen kunnen onthouden. Het gaat hier om de memristor, ofwel geheugenweerstand. Optimisten denken dat binnen enkele jaren een traag opstartende computer al tot het verleden kan behoren. Maar daar is eerst nog flink wat onderzoek voor nodig.

Leon Chua was nog maar net bij de universiteit in Berkeley begonnen, toen hij met zijn memristor-theorie kwam; een mooie binnenkomer…
UC Berkeley

Wiskundig trucje

Dat er zoiets als een memristor moest bestaan, werd voor het eerst in 1971 gesuggereerd door elektronisch ingenieur Leon Chua, werkzaam bij de Universiteit van Californië in Berkeley.

Hij keek eens goed naar de vier fundamentele variabelen die een rol spelen in elektrische circuits: lading, spanning, stroomsterkte en magnetische flux (de sterkte van een magneetveld door een bepaald oppervlak). De drie tot dan toe bekende basiselementen van een elektrisch circuit, de weerstand, de condensator en de spoel, worden elk door twee van die vier variabelen bepaald.

Maar één combinatie – magnetische flux en lading – was nog onbepaald. Dus, dacht Chua, om de cirkel rond te maken, moest er ook een element bestaan die door deze variabelen bepaald werd. Dit element noemde hij memristor, een samentrekking van de woorden ‘memory’ en ‘resistor’, oftewel een weerstand met geheugen.

Vier fundamentele variabelen

J.J. Yang, HP Labs

De eigenschappen van een elektrisch circuit zijn uit te drukken in vier fundamentele variabelen: spanning (v), stroomsterkte (i), lading (q) en magnetische flux (ϕ). In totaal kun je zes combinaties van twee variabelen maken. Twee daarvan geven een natuurkundige wet. De overige combinaties bepalen de vier basiselementen van een elektrisch circuit. Zie hier links voor een schema.

Combinatie Wat levert het op?
v en i Weerstand (Wet van Ohm)
v en q Condensator
i en ϕ Spoel
q en ϕ Memristor

Wiskundig gezien zegt de combinatie van magnetische flux en lading namelijk dat de weerstand van een memristor afhankelijk is van de hoogte en tijd dat er spanning over staat. Het element moet dus kunnen onthouden welke waarde het had, ook als het circuit waar het deel van uitmaakt wordt uitgeschakeld.

Sandwich

Bijna 40 jaar lang heeft Chua voet bij stuk moeten houden, tot in 2008 eindelijk zijn langverwachte gelijk kwam: de eerste werkende memristor. Het kunstje was geflikt door onderzoekers van Hewlett Packard, onder leiding van Stan Williams.

17 memristors van HP op een rijtje onder de microscoop.
R. Stanley Williams

Niet dat de onderzoekers er naar op zoek waren geweest. Ze waren bij onderzoek aan hun elektrische nanoschakelingen gestuit op vreemd onverklaarbaar gedrag. Na jaren piekeren over de oorzaak besefte Williams plotseling dat ze in feite een werkende memristor gebouwd hadden.

Hun exemplaar bestond uit een flinterdun laagje van een halfgeleider (titaniumdioxide) tussen twee plakjes metaal (platina). Alles bij elkaar was dit slechts vijf nanometer dik: 10.000 keer dunner dan een haar, dus onzichtbaar met het blote oog. Het werkt alleen bij deze piepkleine afmetingen, want bij grotere afmetingen verdwijnt het geheugeneffect en gedraagt het ding zich als een ‘normale’ weerstand. Dit verklaart meteen waarom het zo lang duurde om het element te maken: pas sinds kort is het mogelijk om elektronica van zulke kleine afmetingen te maken.

Verschillende soorten RAM-geheugens.
Wikimedia Commons

Revolutie

De vondst werd groots ontvangen in de media. Direct werd gesproken over het herschrijven van studieboeken en een op handen zijnde computerrevolutie. Computers zouden niet langer gebruik hoeven maken van werkgeheugens, het type geheugen (meestal bekend als het dynamische RAM-geheugen) dat alles vergeet als de stroom wordt uitgeschakeld.

Computers gebruiken een werkgeheugen, omdat er sneller data vanaf gelezen kan worden dan van permanente geheugens, zoals een harde schijf. Maar elke keer moet de computer bij het opstarten alle gegevens weer in het werkgeheugen laden, en dat is een tijdrovende klus. Computers op basis van memristoren hebben dit nadeel niet en zouden bliksemsnel aan- en uitschakelen. Bovendien hebben ze een veel lager stroomverbruik. Zie hier de beoogde revolutie.

Tegelijkertijd riepen alle wilde kreten ook veel weerstand op. Velen bleven sceptisch. Want let wel, het exemplaar dat HP gebouwd had, vertoonde weliswaar de kenmerken van een memristor, maar hoe het ding nu precies wérkte, was nog een groot mysterie. En dat is toch vrij essentieel als je de memristor breed wil gaan toepassen. Meer onderzoek was dus nodig en dat kwam er ook: het aantal publicaties over memristoren is sinds 2008 explosief toegenomen. In 2010 gingen ongeveer 440 publicaties over memristoren en gerelateerde zaken. HP neemt daarbij nog steeds een centrale rol in. In 2009 toonde de computergigant aan dat je memristoren kunt stapelen en vorig jaar bleek dat memristoren niet alleen data kunnen opslaan, maar er ook mee kunnen rekenen.

Stan Williams blijft de publiciteit halen.

Tipjes van de sluier

Deze week haalden Williams en zijn team van HP weer eens het nieuws. Ze hadden twee publicaties in het tijdschrift Nanotechnology waarin Williams de werking van de memristor weer verder heeft opgehelderd. Met röntgenapparatuur wist zijn team exact bloot te leggen wat er op microscopisch niveau gebeurd in een memristor. Ze stelden vast waar precies de stroom loopt en hoe de warmte die daardoor ontstaat de moleculaire structuur lokaal doet veranderen.

Volgens Williams heeft het team hiermee de benodigde kennis verkregen om het apparaat te perfectioneren voor gebruik. In een interview met BBC News refereert hij aan het verhaal van Thomas Edison die meer dan duizend pogingen nodig had om tot een werkende gloeilamp te komen. “Zonder deze informatie zaten we in ‘Edison-modus’, waarbij we willekeurig wat probeerden”, zegt Williams. “Nu kunnen we veel efficiënter verbeteringen doorvoeren en ook het gedrag begrijpen dat we zien.” Williams ziet zijn memristor uiteindelijk het nu nog zeer populaire flashgeheugen vervangen, dat je vindt in je mobiele telefoon of fototoestel. Ook dit geheugen onthoudt zijn gegevens bij uitschakeling van de stroom, maar het bereikt binnenkort zijn minimale fysieke grootte.

Memristor als brein?

Vorig jaar verscheen een publicatie waarin met twee memristoren de Pavlov-reactie (een geconditioneerde reflex) gesimuleerd werd. Sindsdien worden memristoren veelvuldig genoemd als onderdeel van een te bouwen kunstmatig brein. Vergezocht? Misschien niet: Laurens Bliek, een student in de groep van Jeltsema heeft dit proces bestudeerd, en kon aantonen dat memristoren inderdaad in staat zijn om te leren door dingen met elkaar in verband te brengen. Natuurlijk, het is nog een lange weg naar een compleet brein, maar je weet het nooit.

Halverwege 2013

Dimitri Jeltsema, expert op het gebied van elektrische circuits aan de TU Delft, was al ver voor de bouw van de memristor in 2008 geboeid door het fenomeen. Hij ziet wel gebeuren dat memristoren in de toekomst in onze computers verwerkt worden, maar daartoe dient eerst nog een belangrijk probleem opgelost te worden.

“Onderzoekers worstelen nog met het energieverbruik dat nodig is om een memristor te programmeren”, zegt Jeltsema. “Ergens niet zo vreemd dat het element energie gebruikt, want het blijft tenslotte een weerstand.”

Jeltsema ziet persoonlijk meer heil in zogenoemde meminductors en memcapacitors, varianten van de spoel en condensatoren die wél een geheugen hebben. “Deze elementen verbruiken geen energie en hebben dezelfde eigenschappen als memristoren.”

Maar dat is aan Williams en HP niet besteed: hún memristor zal halverwege 2013 commericeel verkrijgbaar zijn, zeggen ze. Grootspraak? Jeltsema vindt dat moeilijk te zeggen. “Het is wel een bedrijf dat een reputatie heeft hoog te houden. Misschien zijn ze wel veel verder dan we weten?” We zullen zien, maar studenten kunnen hun borst alvast nat maken. De lessen over elektrische circuits worden er een stuk ingewikkelder op.

Bronnen:

  • L. Chua, Memristor-The missing circuit element, IEEE Transactions on Circuit Theory (september 1971)
  • D. Strukov e.a., The missing memristor found, Nature (mei 2008)
  • Feng Miao e.a., Observation of two resistance switching modes in TiO2 memristive devices electroformed at low current, Nanotechnology (16 mei 2011)
  • Feng Miao e.a., The switching location of a bipolar memristor: chemical, thermal and structural mapping, Nanotechnology (16 mei 2011)

Lees meer over computergeheugen op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/computergeheugen.atom", “max”=>"7", “detail”=>"minder"}

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 19 mei 2011
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.