Memristor entdeckt:

Forscher der HP Labs haben die Existenz eines vierten Basiselements in integrierten Schaltkreisen nachgewiesen. Dieses könnte die Entwicklung von Computern ermöglichen, die sich wie elektrisches Licht ein- und ausschalten lassen.

Der Memristor – kurz für Memory Resistor (Speicherwiderstand) – ermöglicht in Zukunft vielleicht die Entwicklung von äußerst energieeffizienten Rechnersystemen, deren Speicher Daten auch dann beibehält, wenn der Strom ausgeschaltet wird. Somit entfiele das langwierige Hochfahren des Computers nach dem Einschalten. Ein weiteres mögliches Anwendungsgebiet sind Systeme, die bestimmte Mustererkennungsfunktionen haben, wie sie das menschliche Gehirn besitzt.

Ein mathematisches Modell und ein physikalisches Muster, die die Existenz des Memristors beweisen, werden in einem Artikel der Fachzeitschrift „Nature“ vom 30. April vorgestellt.

„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 stellte ihn als viertes Basiselement elektronischer Schaltungen neben den Widerstand, den Kondensator und den Induktor. Der Memristor besitzt Eigenschaften, die nicht durch eine Kombination der anderen drei Elemente erreicht werden können.

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

Williams und seinen Mitautoren 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 Existenz-Nachweis des Memristors enthalten.

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

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

Durch die Bereitstellung eines mathematischen Modells 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 Zeit und Energie raubendes Hochfahren nötig, um die für den Systembetrieb erforderlichen Daten zu laden.

Bei Computern auf Memristor-Basis wäre dieser Vorgang überflüssig, wodurch Strom gespart und möglicherweise sogar 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 Technologien zur Gesichtserkennung deutlich verbessern oder komplexere biometrische Erkennungssysteme entwickeln, die den Zugang zu persönlichen Informationen wirksamer beschränken könnten.

Eine weitere Möglichkeit durch diese Mustererkennungsfähigkeiten sind Maschinen, die aus Erfahrungen lernen, und Computer, die Entscheidungen treffen können.

Bei ihrer Arbeit zum Memristor griffen die Forscher auf ihren großen Erfahrungsschatz bei der Herstellung und Untersuchung von Nanoelektronik und -architekturen zurück.

Ein Ziel dieser Arbeit besteht darin, die Computertechnik von den physikalischen Grenzen der Siliziums zu befreien. Über Jahrzehnte hinweg wurde die Leistung von Chips hauptsächlich dadurch verbessert, dass immer mehr Transistoren auf dem Chip untergebracht wurden. Eine höhere Dichte führt jedoch zu einer problematischen Wärmeentwicklung und Defekten.

„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.