Memristor

**Memristor** (inglise keele sõnadest* *'mem**ory **r**es**istor** '') ehk **mälutakisti** on kahekontaktiline [[elektroonikakomponent|passiivkomponent]], mille elektri[[takistus]] sõltub seda varem läbinud [[elektrivool]]u suurusest ja suunast ning mis voolu puudumisel säilitab viimase takistuse. Seega on tegu [[hüsterees]]i omava ehk mäluga seadmega.

Seadme olemasolu ennustas esimesena [[Leon Chua]] [[1971]], analüüsides [[mittelineaarsete vooluringide teooria]]t ning täheldades lünka fundamentaalsete suuruste [[Pinge (elekter)|pinge]], [[vool]]u, [[laeng]]u ja [[aheldusvoog|aheldusvoo]] vahelistes seostes. Ta defineeris memristori kahekontaktilise passiivkomponendina, mis seob omavahel aheldusvoo ja laengu, ning koostas seadme kirjeldamiseks ja omaduste määramiseks vajaliku [[matemaatika|matemaatilise]] ja katseaparatuuri.

[[2011]]. aastal laiendas Leon Chua definitsiooni kõigile passiivsetele muutuva takistusega püsimäluseadmetele, olenemata nende takistuse muutumise mehhanismist.

See definitsioonilaiendus leidis mõningast kriitikat, kuna leiti, et see on teaduslikult põhjendamata ja et tegu on [[Hewlett-Packard]]i püüdega võimalikult paljud tehnoloogiad enda memristore käsitlevate [[patent]]ide alla saada.

Tänapäeva arendustöö käib memristoride massmäluseadmena kasutuskõlblikuks arendamise ning uute kasutusvaldkondade otsimise kallal.

== Teooria ==

Fundamentaalsete suuruste pinge <math>v</math>, voolu <math>i</math>, laengu <math>q</math> ja voo <math>{\varphi}</math> korral saab eksisteerida kuus kahe muutuja vahelist seost. Klassikaliselt olid defineeritud neist viis:

* Kaks allikat:
** [[Püsivooluallikas|vooluallikas]] tekitab juhis voolu. Mõjutab laengut vastavalt seosele <math>dq =-i\,dt</math>,
** [[Püsipingeallikas|pingeallikas]] tekitab [[Pinge (elekter)|potentsiaalide vahe]] kahe punkti vahel. Mõjutab voogu <math>d\varphi = v\,dt</math>.

:: Voog <math>{\varphi}</math> on siinkohal üldistatud suurus, mis olenevalt kontekstist võib, kuid ei pruugi kattuda [[magnetvoog]]a.

* Kolm passiivset kahekontaktilist elementi:
** [[takistus]] <math>dv = R\,di</math>,
** [[mahtuvus]] <math>dq = C\,dv</math>,
** [[induktsioon]] <math>d\varphi = L\,di</math>.

Kõik vooluringi elemendid, eriti aga [[pooljuht]]elemendid, on olemuselt mittelineaarsed ja alluvad [[lineaarne seos|lineaarsele]] lähendusele vaid teatud piirides.

Seetõttu on mittelineaarsete vooluringide analüüsis induktsioon, mahtuvus ning takistus defineeritud üldiste seosevõrrandite lahenditena, mille täpne kuju sõltub näiteks kasutatud pooljuhtidest.
* takistus <math>R \gets f(v, i)=0</math>,
* mahtuvus <math>C \gets f(v, q)=0</math>,
* induktsioon <math>L \gets f(\varphi, i)=0</math>.

Üle on üks muutujate paar, mille kohta veel seost ei ole: <math>\varphi</math> ja <math>q</math>. Seda seost defineerides ja analüüsides jõudis Leon Chua memristiivsuseni.
* Memristiivsus <math>M \gets f(\varphi(t), q(t))=0</math>, ühikuga [[oom]] (<math>\Omega</math>).

Memristiivsus sõltub definitsiooni järgi ajast. Taandades selle ajas invariantsele juhule, saame tavalise takistuse, mistõttu ei ole mõtet seda suurust sel juhul käsitleda.


[[1976]] täpsustas Chua koos doktorant Sung Mo Kangiga memristore kirjeldavat matemaatilist aparatuuri, muuhulgas tuues välja elementi kirjeldava [[hüstereesikõver]]a. Olgu graafik i(v), kus i on vool ning v pinge, siis graafiku tõus on elemendi takistus.

== Lahendused ==
=== Titaandioksiidil põhinevad memristorid ===

Memristorid sattusid taas avalikkuse huviorbiiti, kui [[Hewlett-Packard|HP]] avaldas pressiteate toimivast pooljuhtmemristorist. Nende labor arendas ristvõre baasil mälu ning neil oli vaja [[lüliti|lüliteid]], millega ristvõre [[elektrood]]e omavahel ühendada ja lahutada. [[Titaandioksiid]]i TiO<sub>2</sub> muutlikku takistust kirjeldati esimest korda [[1960. aastad|1960. aastatel]].

Esialgne prototüüp koosnes ühest TiO<sub>2</sub> kihist elektroodide vahel, mis hakkas näitama memristiivseid omadusi, kui talle oli korra rakendatud [[läbilöögipinge]]. Uurides läbilöögi tulemusi [[tunnelmikroskoop|tunnelmikroskoobiga]], saadi aru, et oli tekkinud [[hapnik]]u [[aatom]]ite vaegus ja osa TiO<sub>2</sub> oli asendunud Ti<sub>4</sub>O<sub>7</sub>-ga. Edaspidi katsetati ühe kihi TiO<sub>2</sub> ja ühe kihi Ti<sub>4</sub>O<sub>7</sub>-ga. See seade ei vajanud enam toimimiseks läbilööki. Seadme tööpõhimõte seisneb TiO<sub>2-x</sub> väga heal [[aukjuhtivus]]el võrreldes TiO<sub>2</sub>-ga. Rakendades seadele pinge, liiguvad augud TiO<sub>2</sub>-sse ja tekitavad sellega paksema kihi TiO<sub>2-x</sub>, õhendades samas TiO<sub>2</sub> kihti, mis vähendab seadme takistust. Polarisatsiooni vahetades protsess pöördub. Nende seadmete memristiivsus on pöördvõrdeline TiO<sub>2</sub> kihi paksuse ruuduga, mis tähendab, et nähtus avaldub märkimisväärselt alles nanoskaalal.

== Rakendused ==
=== Püsimälu ===

2012. aasta mai seisuga oli HP-tehnoloogia lülituskiirus 90 ns. Koostöös Hynix Semiconductoriga plaaniti esimesed memristoridel põhinevad püsimälud turule tuua 2013. aastaks. Memristorid ei vaja iga biti kohta ühte [[transistor]]i nagu praegune DRAM-tehnoloogia, ega kõrgeid pingeid salvestamisel ja kustutamisel nagu [[välkmälu]]. Samuti ei ole välkmäluga kaasnevaid minimaalse kustutatava ploki piiranguid. See võimaldab väga suuri andmetihedusi võrreldavatel kiirustel ning lihtsustab kontrolleriloogikat. Lisaks toetab memristortehnoloogia lihtsamalt mitmekihilisi [[mikrolülitus]]i, mis veelgi suurendab võimalikku andmetihedust.

=== Loogika ===

Memristorid sobivad teostama [[lausearvutus]]e tehteid [[implikatsioonloogika]] abil. Implikatsioonloogika on [[loogikasüsteem]], kus [[implikatsioon]]i (ehk "kui ''x'', siis ''y''" või [[Loogiline värav#Boole'i algebra funktsioonid|''x''→''y'']] ) ja [[väär]]suse (''x'' = **V*') operaatorite abil saab esitada kõiki kahe muutuja loogika operaatoreid. See on alternatiiviks [[CMOS]]- ja [[transistor-transistor loogika|TTL]]-[[integraallülitus|tehnoloogiatele]] omasele NAND- või NOR-loogikale.

Süsteemi eelis CMOS- ja TTL-loogika ees seisneb memristoride mälufunktsioonis: teostades loogikaoperatsioone samade seadmete peal, mis andmeid talletavad, ei ole vaja neid töötlemiseks [[põhimälu]]st [[vahemälu|vahemällu]] viia ja tulemusi hiljem tagasi kirjutada. See säästab töötsükleid ja dubleerimiseks vajalikku vahemälu, vaja pole ka [[Register (arvutitehnika)|registreid]], mis on kallid ning võtavad ruumi ja energiat.

Eri tehnoloogiate eripära mängib rolli otsustamisel, kumb kahest järgmisest on ülesande jaoks sobivam.

CMOS NAND-[[loogikaventiil|ventiil]] koosneb neljast kahte tüüpi [[isoleeritud paisuga väljatransistor]]ist. See on autonoomne (andes talle toidet ning sisendid, tekib väljundisse tulemus) ja kiire, kuid diskreetne: et andmetega edasi töödelda, tuleb need saata edasi järgmisse ventiili.

Memristor-tehnoloogial baseeruv loogikaelement koosneb kolmest memristorist ja ühest takistist. See ei ole diskreetne, st samas elemendis saab pärast tehte lõppu teostada järgmise operatsiooni (vt [[#Näide NAND teostuse kohta memristorloogika abil|näide NAND teostuse kohta]]), ent ei ole autonoomne, vajades eraldiseisvat kolmeastmelist pingeallikat, mis teostab operatsiooni, rakendades eri memristoridele erinevad pinged. Samas võimaldab see rakendada suuremahulist [[SIMD]]-töötlust, teostades sama tehet sama pingeallika abil korraga paljudel loogikaelementidel.

==== Näide NAND teostuse kohta memristorloogika abil ====

Kahe paralleelühenduses memristori *p* ja *q*, mis sisaldavad [[operand]]e, vahel saab teostada implikatsioonitehte, kusjuures tulemus talletatakse memristoris *q*:
:*q ← IMP(p,q)*

Olgu kolm memristori *p*, *q*, *s*. Sisaldagu *p* ja *q* operande, siis *s ← NAND(p,q)* käib järgmiselt:
#*s ← 0*
#*s' ← IMP(p,s)*
#*s ← IMP(q,s')*

=== FPGA ===

Kombineerides omavahel CMOS-loogikat ning memristore nii mälu- kui ka marsruutimiselementidena, saab teostada [[FPGA]] sarnaseid programmeeritava raudvaralise loogika skeeme. Omavahelist integratsiooni lihtsustab TiO<sub>2</sub>-memristoride tootmise sobivus olemasolevate [[Elektroonikakomponent#Diskreetkomponendid ja integraalkomponendid|integraalskeem]]ide tootmise metoodikatega.

==== Marsruutimine ====

Praeguste FPGA-de struktuurist, energiatarbest ja viivitusest moodustavad ligi 90% loogikaplokkidevahelised ühendused. Asendades ühenduskihi lülitused memristoridega (kasutades neid sisuliselt lülititena) on võimalik kiirendada andmetöötlust FPGA-s umbes 2 korda, vähendada pindala umbes 5 korda ja energiatarbimist umbes 1½ korda, seda ühekihilise konstruktsiooni korral.

==== Mälu ====

Eelmisest tööst sõltumatult on uuritud memristoride kasutamist mälu asendamiseks FPGA struktuuris, mis tänapäeval kasutab sisseehitatud [[SRAM]]-komponente või loogikaplokkidest koostatud SRAMi. Sarnaselt eelmise tööga leiti, et jõudlus kasvaks vähemalt kaks korda ühekihilise struktuuri korral ning oleks suurem mitmekihilise korral.

=== Masinõppimine ===

Memristoride mälu ja analoogseade omadused teevad nendest head elemendid sünapside simuleerimiseks. [[2009]]. aastal kasutati LC-komponentidest ja ühest memristorist koosnevat ahelat [[ainuraksed|ainuraksete]] kohanemisvõime uurimiseks. Ahela abil õnnestus jäljendada ainuraksete reageerimist perioodilistele stiimulitele ja nende kadumisele.

== Viited ==


== Välislingid ==
* [http://www.tehnikamaailm.ee/est/tm/2011/03/?headerID=2216 Memristorid]
* [http://ieeeghn.org/wiki/images/b/bd/Memristor_chua_article.pdf PDF *Memristor—The Missing Circuit Element]
* YAN Kun (2011). Nonlinstor-An electronic circuit element based on the form of the nonlinear differential equation (Brief annotation of the connection equation(R)), Xi'an: Xi'an Modern Nonlinear Science Applying Institute.