Memristori

**Memristori** () eli **muistivastus** on sen alkuperäisen, lineaarisen piiriteorian määritelmän mukaan kaksinapainen piirielementti, joka käyttäytyy kuten vastus, jolla on muisti. Memristori on  tietyllä ajanhetkellä vastus (konduktanssi), jonka arvo riippuu sen läpi kulkeneesta virrasta (yli olleesta jännitteestä). 

Memristorin teorian esitti Leon O. Chua jo vuonna 1971. Memristorin alkuperäinen määritelmä perustuu piiriteorian aksioomaan, jossa kaikki kaksinapaiset, passiiviset piirielementit on voitava kuvata virran, jännitteen, varauksen tai käämivuon avulla. Resistanssi (piiriteknisessä kuvauksessa vastus) voidaan määritellä Ohmin lain mukaan virran ja jännitteen, kapasitanssi (piiriteknisessä kuvauksessa kondensaattori) jännitteen ja varauksen ja induktanssi (piiriteknisessä kuvauksessa kela) käämivuon ja virran avulla. Chuan teorian mukaan jäljelle jää vain piirielementti, joka on voitava määritellä käämivuon ja varauksen avulla, kun virran ja käämivuon määritelmät tunnetaan. Tätä pidetään memristorin suppeana määritelmänä.

Piirielementti *M* on nimeltään **varausohjattu memristori** ja *W* **vuo-ohjattu memristori**. Nämä suureet esiintyvät kaavassa 

M = \psi /Q = 1/W, 

jossa  *Q* on sähkövaraus ja \psi on käämivuo.

Jo alkuperäisessä artikkelissaan Chua esitteli aktiivisiin (vahvistaviin ja ulkoista energiaa vaativiin) komponentteihin perustuvan kytkennän, joka käyttäytyi kuin vastus, mutta muisti aiemman tilansa. Tämä toteutus täyttää ns. memristorin laajennetun määritelmän, mutta se ei ole passiivinen (ilman ulkoista energiaa toimiva) piirielementti, kuten vastus, kondensaattori tai kela.

Ensimmäisen passiivisen memristorin toteutus raportoitiin huhtikuussa 2008 tiedelehti Naturessa. Siinä kahden platinalevyn välissä oleva ohut (5–30 nm:n paksuinen), kaksikerroksinen ja seostettu titaanidioksidi-kalvo muodostaa kaksinapaisen (platinalevyt) komponentin. Tämä rakenne käyttäytyy memristorin suppean määrittelyn mukaisesti ts. muistaa arvonsa, vaikka ulkoista energiaa ei ole eli on passiivinen piirielementti. Julkaisun jälkeen havaittiin, että samalla tavalla käyttäytyviä rakenteita oli raportoitu aiemminkin, kun ohutkalvo- ja piiteknologia kehittyivät, mutta niitä ei kutsuttu memristoreiksi. Tämän jälkeen on julkaistu useita erilaisia passiivia, kaksinapaisia memristoritoteutuksia, joissa on käytetty epäorgaanisia (mm. hafniumoksidi, tantaalioksidi ja  molybdeenin eri oksidit, perovskiittioksideja kuten Gd₁₋ₓCaₓMnO₃ eli GCMO) tai jopa orgaanisia kalvorakenteita. Vaikka nämä ohutkalvotekniikalla toteutetut rakenteet täyttävät memristorin suppeankin määritelmän, niiden kaikkien luotettavuudesta on vielä toistaiseksi tehty rajoitetusti testejä. Lisäksi monet memristori-toteutusten julkaistuista materiaaleista poikkeavat esimerkiksi mikropiirien/integroitujen piirien valmistuksessa käytetyistä materiaaleista, mikä on hidastanut passiivisen memristorin laajamittaista soveltamista/käyttöä. 

Vuonna 2010 yritykset Hewlett-Packard ja muistivalmistaja SK Hynix julkistivat yhteistyön, jonka tavoitteena oli kehittää memristoriin perustuvia, resistiivejä RAM eli ns. ReRAM (engl. REsistive Random Access Memory)/ RRAM-muisteja. Niitä on toistaiseksi kaupallisesti saatavina vain muutamilta näihin rakenteisiin ja valmistusteknologioihin erikoistuneilta valmistajilta ja vain rajoitetun kokoisina.

Tekoälyn käytön yleistyminen on lisännyt kiinnostusta prosessoreiden muistissa tapahtuvaan laskentaan ja mm. memristoreihin 2020-luvulla. Mikrokontrollereiden ja antureiden yleistyminen ajoneuvoelektroniikassa on lisännyt tarvetta järjestelmien nopeaan käynnistykseen jännitteettömän käyttöjakson jälkeen ja anturien aiemman tilan muistamiseen. Memristorit mahdollistavat sekä muistissa tapahtuvan laskennan että tarvittaessa prosessorirakenteiden nopean käynnistyksen ja puolijohdeteollisuus onkin muistivalmistajien lisäksi tiivistänyt yhteistyötään memristorirakenteiden hyödyntämiseksi mikrokontrollereissa ja tekoälylaskennassa.

Jarruna aktiivisiin komponentteihin perustuvien, memristoria muistuttavien kytkentöjen käytön yleistymisessä on ollut niiden energiankulutus mm. signaaliprosessoinnissa kuten suodattimissa. Aktiivisten memristoreiden kanssa kilpailevat sellaiset passiiviset suodatinteknologiat kuten pinta-aaltoakustiset (engl. Surface Acoustic Wave, SAW) suodattimet. Ne ovat radiotaajuisten signaalien suodatuksessa toistaiseksi suorituskyvyltään ylivoimaisia niin tehonkulutuksessa kuin taajuusselektiivisyydessä, vaikka esimerkiksi niiden suodatusaluetta ei voi säätää.

Sähköisten memristorien sovelluksia ovat muun muassa ohjelmoitavat suodattimet, nopeat kytkimet, säädettävät kelat, säädettävät vahvistimet, muuntimet, neuroverkot, haihtumattomat muistit jne. Ns. Optisten memristorien ja ferrosähköisten muistien toteuttaminen, ominaisuudet ja suorituskyky ovat uusimpia tutkimuskohteita esimerkiksi reunalaskentasovelluksiin.,

## Lähteet

## Aiheesta muualla

*Miten memristori toimii (englanniksi):

*
Prof. S. Choi, Next Generation Memory Technology, Resistive Random Access (ReRAM) Memory, University of Washington, USA

*
J. Reuben, Resistive RAM modelling and In-memroy computing, University of Erlangen, Saksa

*
Memristorin testausta IHP Microelectronics-laboratoriossa

*
Kaupallisia, memristoriin perustuvia komponenttteja:erillismemristoreita, memristorimatriiseja ja muisteja:

* KNOWN, kaupallisia memristoreita

* Muistivalmistaja RAMXCEED

* Corssbar Inc, kaupallisia Reram muisteja