Memristor-Geheimnis gelüftet:

Forscher der HP Labs haben ein jahrzehntealtes Rätsel gelöst, indem sie die Existenz eines vierten Grundelements in integrierten Schaltkreisen nachgewiesen haben, das die Entwicklung von Computern ermöglichen könnte, die sich wie elektrisches Licht ein- und ausschalten lassen.

Der Memristor – kurz für Memory Resistor (Speicherwiderstand) – könnte die Entwicklung von weitaus energieeffizienteren Systemen ermöglichen, deren Speicher Daten auch dann beibehält, wenn der Strom ausgeschaltet wird, so dass das langwierige Hochfahren des Computers nach dem Einschalten entfiele. Es könnte sogar möglich sein, Systeme zu schaffen, die bestimmte Mustererkennungsfunktionen des menschlichen Gehirns besitzen.

Ein mathematisches Modell und ein physisches Beispiel, die die Existenz des Memristors beweisen, werden in einem Artikel angeführt, der in der Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature“ vom 30. April erschienen ist.

„Auf dem weitgehend erforschten Gebiet der Elektrotechnik etwas zu finden, das so neu und doch so grundlegend ist, ist eine große Überraschung“, so R. Stanley Williams, HP Senior Fellow und Leiter des Information and Quantum Systems Lab (IQSL).

Erstmals erwähnt wurde der Memristor 1971 in einem Artikel von Professor Leon Chua, einem anerkannten Mitglied der Fakultät für Elektrotechnik und Informatik an der Universität von Kalifornien in Berkeley.

Chua beschrieb und benannte den Memristor und argumentierte, dass er als viertes Schaltkreis-Grundelement neben den Widerstand, den Kondensator und den Induktor gestellt werden sollte. Der Memristor besitzt Eigenschaften, die sich durch keine Kombination der anderen drei Elemente nachbilden lassen.

Obwohl Forscher schon in den 50er Jahren das Auftreten von Speicherwiderstand beobachteten, gelang der Nachweis seiner Existenz nicht, unter anderem weil der Speicherwiderstand in Bauteilen im Nanomaßstab wesentlich deutlicher erkennbar ist. Entscheidend für den Speicherwiderstand ist, dass die Atome des Bauelements bei Anlegen einer Spannung ihre Position wechseln müssen, und dies geschieht im Nanomaßstab wesentlich leichter.

Williams und seinen Koautoren Dmitri B. Strukov, Gregory S. Snider und Duncan R. Stewart gelang es, ein physikalisch basiertes Modell zu formulieren und in ihrem Labor Nanoelemente zu bauen, die alle erforderlichen Betriebscharakteristika für den Nachweis zeigen, dass der Memristor tatsächlich existiert.

„Das ist eine erstaunliche Entwicklung“, kommentiert Chua. „Es brauchte jemanden wie Stan Williams, mit einem interdisziplinären Hintergrund und tiefgreifenden Kenntnissen, um sich einen solch winzigen Memristor mit einer Dicke von nur wenigen Atomen auszudenken.“

Williams Fachgebiet ist die physikalische Chemie. Strukov ist theoretischer Physiker, Snider Computerarchitekt und Stewart experimenteller Physiker.

Durch die Bereitstellung eines mathematischen Modells für die Physik eines Memristors versetzt das Team Ingenieure in die Lage, integrierte Schaltungen zu entwickeln, die sich die Datenspeicherfähigkeit des Memristors zunutze machen.

„Das öffnet völlig neue Perspektiven, wie Chips konzipiert und eingesetzt werden können“, erklärt Williams.

Ingenieure könnten beispielsweise einen neuartigen Computerspeicher entwickeln, um schließlich den heutzutage üblichen Dynamic Random Access Memory (D-RAM) zu ersetzen. Computer, die mit konventionellem D-RAM arbeiten, können Daten nicht über das Ausschalten im Speicher halten. Wenn ein D-RAM-gestützter Computer wieder eingeschaltet wird, ist ein langsamer, energiehungriger Hochfahrvorgang nötig, um die für den Systembetrieb erforderlichen Daten von einer Magnetplatte zu laden.

Bei Computern auf Memristor-Basis wäre dieser Vorgang überflüssig, wodurch Strom gespart und möglicherweise die Systemstabilität und -zuverlässigkeit erhöht würden. Chua glaubt, dass der Memristor in Computern, Mobiltelefonen und Videospielen zur Anwendung kommen könnte – sprich überall, wo viel Speicher benötigt wird und möglichst wenig Akkustrom verbraucht werden soll.

Was die dem menschlichen Gehirn ähnlichen Eigenschaften betrifft, könnte die Memristor-Technologie eines Tages Computersysteme ermöglichen, die auf ähnliche Weise wie Menschen Muster erkennen und zueinander in Bezug setzen können.

Dadurch ließen sich zum Beispiel die Gesichtserkennungstechnik deutlich verbessern oder komplexere biometrische Erkennungssysteme entwickeln, die den Zugang zu persönlichen Informationen wirksamer beschränken könnten.

Ebenfalls durch diese Mustererkennungsfähigkeiten möglich werden könnten Maschinen, die aus Erfahrungen lernen, und Computer, die Entscheidungen treffen können.

Bei ihrer Memristor-Arbeit griffen die Forscher auf ihren großen Erfahrungsschatz bei der Herstellung und Untersuchung von Nanoelektronik und -architekturen zurück (Williams gründete 1995 die Vorgängereinrichtung des IQSL).

Ein Ziel dieser Arbeit besteht darin, die Computertechnik von den physikalischen und finanziellen Einschränkungen der Siliziumchips zu befreien. Über Jahrzehnte hinweg wurde die Leistung von Chips hauptsächlich dadurch verbessert, dass immer mehr Transistoren im Schaltkreis untergebracht wurden. Eine höhere Dichte führt jedoch zu einer problematischen Wärmeentwicklung und Defekten und beeinträchtigt die grundlegende Physik der Bauelemente.

„Anstatt die Anzahl der Transistoren in einem Schaltkreis zu erhöhen, könnten wir einen Hybridschaltkreis schaffen, der weniger Transistoren, jedoch zusätzlich Memristoren – und mehr Funktionen – aufweist“, meint Williams. Alternativ könnten Memristoren auch hochdichte Schaltkreise mit geringerem Energiebedarf ermöglichen.

2007 entwickelte das Team unter Verwendung von konventioneller CMOS-Technik und Nano-Schaltelementen eine Architektur für einen solchen Hybridchip.

„Auf jeden Fall wissen wir jetzt“, so Williams, „dass diese Schaltelemente einen Namen haben – nämlich Memristor.“