ממריסטור

מֶמריסטוֹר (מאנגלית: memristor, הלחם המילים "memory resistor" – "נַגָּד זיכרון") הוא רכיב חשמלי פסיבי שהתנגדותו תלויה בכמות הזרם שעבר בו לפני כן. לעומת הרכיבים נגד, קבל וסליל, שמימושים קרובים לאידיאליים שלהם קיימים ונמצאים בשימוש נרחב בטכנולוגיה מזה עשרות שנים, המימוש המעשי של ממריסטור נדיר ועד 2008 הוא נחשב תאורטי גרידא. הממריסטור הוא מוליך למחצה. ממריסטור עשוי מחומר כלשהו העטוף בשתי פיסות של מתכת כלשהי. תכונותיו התאורטיות של ממריסטור כוללות התנגדות התלויה בהיסטוריה של המתח והזרם בין הדקיו. לתכונה זו עשוי להיות שימוש בייצור התקני זיכרון דלי הספק, ולכן מתקיים מחקר תאורטי ויישומי נרחב במטרה לייצר ממריסטורים בטכנולוגית VLSI. מנגד, קיימת טענה כי ממריסטור אידיאלי סותר עקרונות יסוד בתרמודינמיקה בתנאי חוסר שיווי משקל. חוק אוהם:   V = I R {\displaystyle \ V=IR} משוואת הקבל:   C = Q V {\displaystyle \ C={\frac {Q}{V}}} משוואת הסליל:   L = Φ B I {\displaystyle \ L={\frac {\Phi _{B}}{I}}} המתח כנגזרת השטף (חוק לנץ): V = − d Φ B d t {\displaystyle V=-{\frac {{d}\Phi _{B}}{{d}t}}} הזרם כנגזרת המטען: I = d Q d t {\displaystyle I={\frac {dQ}{dt}}} ממשוואות אלו ניתן לשרטט את הדיאגרמה הבאה: ניתן לראות כיצד הממריסטור מהווה את החוליה החסרה המקשרת בין השטף המגנטי למטען החשמלי. מכיוון שכך, ניתן לגזור את משוואת הקשר שבין השטף המגנטי למטען, ולקבל שני סוגי ממריסטורים: ממריסטור נשלט שטף:   V = M ( Q ( t ) ) I ( t ) {\displaystyle \ V=M(Q(t))I(t)} , כאשר   M {\displaystyle \ M} הוא משתנה המצב של הממריסטור לפי הקשר   M ( Q ) = d Φ B ( Q ) d Q {\displaystyle \ M(Q)={\frac {d\Phi _{B}(Q)}{dQ}}} ממריסטור נשלט מטען:   I = W ( Φ B ( t ) ) V ( t ) {\displaystyle \ I=W(\Phi _{B}(t))V(t)} , כאשר   W {\displaystyle \ W} הוא משתנה המצב של הממריסטור לפי הקשר   W ( Φ B ) = d Q ( Φ B ) d Φ B {\displaystyle \ W(\Phi _{B})={\frac {dQ(\Phi _{B})}{d\Phi _{B}}}} ממריסטור אמור להיות רכיב בעל התנגדות חשמלית משתנה, המתבטאת בלולאת חֶשֶׁל (היסטרזיס) כפולה בעקומת המתח־זרם שלו. ניתן לשנות את התנגדותו על ידי הזרמת זרם חשמלי גדול בממריסטור נשלט מטען (או הפעלת ממתח גדול בממריסטור נשלט שטף), בעוד שעבור זרמים קטנים מספיק, התנגדותו תהיה קבועה, ונוכל למדוד אותה באמצעים המקובלים. הסיבה לכך היא שהזרמת הזרם (או הפעלת המתח) אמורה לשנות את משתנה המצב של הממריסטור ולכן גם את התנגדותו האפקטיבית, אולם מתחת ל"זרמי סף" ו"מתחי סף" לא יחול שינוי במצבו של הממריסטור. הדבר דומה לתופעה ידועה ממכניקה בה כוח הפועל כנגד כוח חיכוך סטטי, אינו גורם לתאוצה או שינוי כלשהו, אם הוא אינו גדול מחיכוך סטטי זה. בשל תכונות אלו, ניתן לחשוב על ממריסטור כעל רכיב מיתוג אפשרי. על ידי הזרמת זרם רב ולזמן מספיק בכיוון אחד של ההתקן, נוכל לקבוע את התנגדותו לערך אחד, ועל ידי הזרמת זרם בכיוון השני – לערך אחר. פעולת קריאת המידע, תוכל להתבצע ללא פריקה או טעינה של קבל כמקובל כיום בחלק מן הזיכרונות האלקטרוניים, אלא על ידי הזרמת זרם הנמוך מזרם הסף, ומדידת המתח על ההתקן. בנוסף לכך, אין ההתנגדות של הממריסטור צפויה להשתנות עם הזמן אם לא יוזרם דרכו זרם, ולהבדיל מקבל שבו כמות המטען שבו, המהווה את המידע הבינארי האצור עליו, זולגת עם הזמן – דבר המצריך רענון וטעינה מחודשת של הקבל מידי זמן, בממריסטור המידע (שהוא ההתנגדות עצמה) אינו אובד ואין הממריסטור זקוק לרענון וטעינה מחודשת. משום כך, עוסקים כיום בתחום זה חוקרים רבים, המקווים לממש ממריסטור בעל תכונות אלו אשר יאפשרו בעתיד צמצום ההספק בהתקנים אלקטרוניים. התרשים מצד שמאל מתאר ממריסטור נשלט-מטען ובעל מתח סף, שעובר דרכו זרם חילופין. כאשר מתקיים זרם חשמלי במערכת, אחד האזורים – המסומם (doped) או הלא מסומם (non-doped) – יגדל, בתלות בכיוון ממנו זורם הזרם. אפיון המתח/זרם של הממריסטור הוא היסטרזיס, כאשר בראשית הצירים מתקבלת רק הנקודה (0,0). בהיסטרזיס לא מתקיימת תגובה של X אחד ל-Y אחד, אלא שני Y ל-X אחד. כאשר המתח המופעל על הרכיב גדול ממתח סף כלשהו, אזי הממריסטור מגיע להתנגדות מקסימלית/מינימלית (רוויה) ומתפקד באופן זמני כנגד רגיל. כאשר המתח חוזר לטווח המתאים, הממריסטור חוזר להתאפיין כהיסטרזיס. לממריסטורים יש זיכרון, הווה אומר, הם זוכרים את הזרם שעבר בהם בעבר. גם כאשר הפסיק לעבור בהם זרם, הם מתנגדים בהתאם לזרם ההיסטורי. ההתנגדויות הקיצוניות של הממריסטור מכונות Ron כאשר ההתנגדות נמוכה ו-Roff כאשר ההתנגדות גבוהה. במונח ממריסטור השתמש לראשונה ברנרד וידרו בהקשר של רשתות עצביות ב-1960. לאון צ'ואה פרסם ב-1971 את המאמר שקיבע את המונח במשמעותו המוכרת כיום. צ'ואה הציג את קיומו המשוער של רכיב נוסף על נגד, קבל וסליל, מטעמי סימטריה, וניתח את תכונותיו הצפויות ושימושיו האפשריים. ב-2008 פרסמו חוקרים מחברת HP, בראשותו של סטן ויליאמס, מאמר במגזין נייצ'ר, בו טענו כי גילו את הרכיב החסר. המאמר תיאר כיצד התקן תחמוצת טיטניום שהם ייצרו, מגלה תכונות "ממריסטיביות". נציגים של חברת HP ציינו שעד סוף 2013 ניתן לצפות להשקה של רכיב ממריסטור כהתקן בשיווק מסחרי. אולם הערכות עדכניות יותר של HP מ-2013 לא צופות שימוש בטכנולוגיה זו לפני 2018. בין שימושיו האפשריים של הממריסטור נמצאים תאי זיכרון (אנ'), מעגלים חשמליים בתחום תדר רדיו (RF components), מעגלים נוירומורפיים המחקים את פעולת המוח האנושי וביצוע תהליכי לוגיקה. ב-2012 פרסמו הפיזיקאים פאול מויפלס ורוהיט סוני מאמר בו טענו כי הטכנולוגיה של HP אינה תואמת להגדרה של ממריסטור, ולמעשה ניתן לתארה כקבל כימי, הסובל מאובדן מידע לאורך זמן. כמו כן טענו כי המאפיינים של ממריסטור אידיאלי סותרים עקרונות יסוד בתרמודינמיקה ותורת האינפורמציה (עקרון לנדאואר). במאמר אחר נטען כי תכונות הזיכרון של הממריסטורים שמומשו דומות לתופעות זיכרון חלשות בהתקנים קיימים (שאינן רצויות), וכן כי ממריסטור אידיאלי (לו ניתן היה לממשו) אמור לסבול מאבדן מידע כתוצאה מרעשים ותנודות. צ'ואה, חלוץ המחקר בתחום, פרסם לאורך השנים מאמרים נוספים בהם הרחיב את ההגדרה הראשונית וטען כי תופעות שונות בתחומי האלקטרוניקה ואף בתחומים רבים אחרים (כביולוגיה, כימיה) עונים להגדרות של ממריסטור. בהדמיה שמצד שמאל, מוזרם זרם חילופין בתדירות קבועה דרך ממריסטור ונמדד המתח בין הדקיו. מתקבל גרף של הזרם שעבר בהתקן בכל רגע כנגד המתח שהופעל בין הדקי ההתקן. ניתן לראות כיצד באה לידי ביטוי התנגדותו המשתנה של הממריסטור: בעוד שעבור נגד רגיל היו מתקבלים שיפועי מתח/זרם קבועים בערכם, בגרף ניתן לראות שיפועים משתנים. מדיה וקבצים בנושא ממריסטור בוויקישיתוף The missing memristor found ממריסטור, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) מאמר מדעי ממריסטור הרכיב החשמלי החסר ושימושיו MAGIC Leon O. Chua, Memristor - The Missing Circuit Element, Retrieved from IEEE Global History Network, ‏September 1971 (באנגלית) Dmitri B. Strukov, Gregory S. Snider, Duncan R. Stewart & R. Stanley Williams, The missing memristor found, Nature 453, ‏1 May 2008 (באנגלית) Chris Mellor, HP 100TB Memristor drives by 2018 – if you're lucky, admits tech titan, The Register, ‏1 Nov 2013 (באנגלית) מאמר מדעי(הקישור אינו פעיל) P. Meuffels, R. Soni, Fundamental Issues and Problems in the Realization of Memristors, arXiv:1207.7319v1 [cond-mat.mes-hall], ‏July 2012 (באנגלית) M. Di Ventra , Y. V. Pershin, On the physical properties of memristive, memcapacitive and meminductive systems, Nanotechnology, issue 25, ‏May 2013 (באנגלית) Leon Chua, Resistance switching memories are memristors, Applied Physics A, vol. 102, issue 4, ‏March 2011 (באנגלית)