شرکت آزمون صنعت

اوایل سال 1971 بود که لئون چوا  استاد دانشکده ی برکلی کالیفرنیا  وجود قطعه ی بنیادی چهارمی را پیش بینی نمود که از سوی او " ممریستور " نام گرفت .

او ثابت کرد که رفتار و ویژگی های ممریستور توسط هیچ مداری که در برگیرنده ی سه المان بنیادی دیگر باشند قابل تکرار نیست . به همین علت ممریستور را بعنوان یک المان بنیادی معرفی نمود .

"Memristor"  از ادغام دو واژه ی memory و resistor  حاصل می شود که با توجه به عملکرد این المان- که المانی حافظه دار است- بدان اتلاق می شود. ممریستور قطعه ای دو پایه است که مقاومت آن وابسته ی دامنه و قطبیت ولتاژ اعمالی و نیز طول مدت زمانی است که ولتاژ بدان اعمال شده است . وقتی ولتاژ اعمالی قطع می شود، ممریستور آخرین مقاومت خود قبل از قطع ولتاژ را تا زمان اعمال مجدد ولتاژ، مستقل از اینکه روشن کردن مجددش یک روز و یا یک سال دیگر رخ دهد، به خاطر می سپارد.

مقاومت را با لوله ای  که آب در درونش جریان دارد، مقایسه کنید . در واقع آب به مثابه بار الکتریکی است . ممانعت مقاومت از عبور جریان بار ، با این ویژگی لوله که مقاومتی را در برابر عبور جریان آب اعمال می کند قابل مقایسه است . بدین معنی که هرچه لوله باریک تر باشد ، مقاومتش در برابر جریان آب بیشتر است و بالعکس. مقاومت های کنونی متناسب با لوله هایی هستند که دارای قطر ثابتی هستند ولی ممریستور مانند لوله ای است که قطرش متناسب  با مقدار و جهت آبی که درونش جریان دارد ، تغییر می کند . اگر آب در یک جهت از درون این لوله جاری شود ، این لوله پهن تر شده و درنتیجه مقاومتش کمتر می شود ولی اگر آب در جهت مخالف فرستاده شود ، لوله منقبض شده و مقاومتش بیشتر می گردد بعلاوه این لوله ( ممریستور ) قطر و ضخامت خود را بخاطر می سپارد یعنی وقتی که آب برای آخرین بار در آن جریان می یابد و سپس جریان آب قطع میشود قطر لوله تا بکار افتادن مجدد ثابت می ماند .

این ویژگی " ثابت ماندن" ممریستور را بگونه ای هوشمندانه برای حافظه ی کامپیوتر مناسب میگرداند . توانایی برای نگهداشتن نا محدود مقادیر مقاومت  بدین معنی است که ممریستور می تواند بعنوان یک حافظه ی غیر فرار بکار برده شود . در نگاه اول ممکن است این رفتار ویژگی قابل توجهی به نظر نرسد اما برای پی بردن به یکی از کاربردهای این قطعه می توانید یکبار وقتی در حال انجام دادن کاری با لپ تاپتان هستید باتری آن را خارج نمایید . در همان لحظه ، نه خروجی ای از کارتان بجای می ماند و نه ذخیره سازی ای  صورت می گیرد. واضح است که شما اطلاعات کاری خود را از دست خواهید داد . اما اگر لپ تاپ شما بر پایه ی ممریستور ها ساخته شده بود به محض باز گرداندن مجدد باتری، صفحه ی نمایش شما دقیقا به همان شکلی که قبل از خروج باتری بود باز خواهد گشت.

پتانسیل و استعداد با لقوه ی ممریستور بسیار فراتر از کاربرد آن در کامپیوتر های مذکور است و می تواند یکی ازبزرگترین چالش های تکنولوژی را در بر گیرد ؛ شبیه سازی عملکرد مغز. در طول یک دهه ممریستور میتواند به ما امکان برابری جستن  با شبکه های نرون سیناپس- به جای صرفا شبیه سازی-   را بدهد .

تعداد کثیری از گروه های تحقیقاتی در حال فعالیت روی مغز در پروژه های گوناگون هستند . نکته ی قابل تامل این است که شبیه سازی مغز موجود کوچکی  مانند موش در دنیای واقع به حل تعداد نجومی ای از معادلات دیفرانسیل پاره ای نیاز دارد . یک کامپیوتر دیجیتالی که بتواند از عهده ی این کار بربیاید نیازمند داشتن ابعادی در حد و اندازه ی یک شهر کوچک است و تامین انرژی آن مستلزم تخصیص نیروگاههای متعددی است .

ممریستور ها می توانند در ابعاد بی نهایت کوچک ساخته شوند. عملکرد آنها بسیار شبیه سیناپس هاست و با استفاده از آنها قادر به پیاده سازی مدارهای الکترونیکی آنالوگی با  قابلیت عمل کردن مطابق با اجزاء فیزیکی مغز خواهیم بود که از لحاظ اندازه آن قدر کوچکند که میتوانند در یک جعبه ی کفش جای بگیرند.

یک مدار hybrid   (مداری شامل تعداد زیادی ممریستور و ترانزیستور متصل ) میتواند به ما کمک کند تا در عملکرد مغز  و اختلالاتش تحقیق و تفحص کنیم . چنین مداری ممکن است به ساخت ماشین آلاتی منتج شود که توانایی تشخیص الگوهایی را دارند که مغز انسان بر طبق آنها فرمان صادر می نماید. این در حالیست که کامپیوتر های کنونی با توجه به پیچیدگی های محاسباتی فاقد این توانایی اند .

داستان ممریستور بواقع داستانی برای کتب تاریخ است . وقتی لئون چوا مقاله بدوی خود را که پیش بینی کننده ی ظهور ممریستور بود ، نوشت یک استاد تازه کار بود که می خواست قدم در راه پیشرفت و ترقی بنهد. او سالها بود که علیه چیزی که آنرا تئوری محدودیت اختیاری مدار الکترونیکی به سیستم های خطی می نامید مبارزه می کرد . او معتقد بود که الکترونیک غیرخطی پتانسیل بیشتری نسبت به مدارات خطی ای دارد که بر تکنولوژی روز حکمفرمایی می کنند . چوا یک حلقه ی مفقوده در معادلات ریاضی دوبدو مرتبط یافت که چهار کمیت مداری را به هم مرتبط می کردند : بار ، جریان ، ولتاژ و شار مغناطیسی . این کمیتها طبق شکل زیر به هم مرتبط می گردند . دو تایشان با استفاده از قوانین فیزیکی پایه ی الکتریسیته و مغناطیسی و سه تایشان توسط المان های شناخته شده ی  مداری. مقاومت ، ولتاژ و جریان را به هم مرتبط می گرداند . سلف شار و جریان را ارتباط می دهد و خازن در نقش ارتباط دهنده ی ولتاژ و بار ظاهر می شود .

اما فقدان یک معادله از این گروه کاملا محسوس است :

رابطه ی میان بار عبوری از یک مدار و شار مغناطیسی در برگرفته شده با مدار

ممریستور چوا بیشتر از اینکه تحقق فیزیکی داشته باشد یک ساختار ریاضیاتی محض بود. به چه معنا ؟  یک باتری و یک ترانسفورماتور را درنظر بگیرید . هر دو ولتاژهای یکسانی را تامین می کنند بعنوان مثال 12 ولت جریان مستقیم . اما آنها اینکار را با دو مکانیزم کاملا متفاوت انجام می دهند . باتری با یک واکنش شیمیایی که درون سلول رخ می دهد و ترانسفورماتور با گرفتن 110 ولت جریان ورودی  ac  و کاهش آن به 12  ولتac   و درنهایت تبدیل آن به 12 ولت ولتاژ dc .  نتیجه ی نهایی از نقطه نظر ریاضیات یکسان است . هر دو می توانند یک ریش تراش یا یک تلفن همراه را بکار بیاندازند اما منبع فیزیکی آن دو 12 ولت کاملا متفاوت است .

از نظر مفهومی  فهم اینکه چگونه بار الکتریکی با شار مغناطیسی جفت می شود آسان بود اما تعامل فیزیکی آشکاری بین بار و انتگرال روی ولتاژ وجود نداشت .

چوا از نقطه نظر ریاضیاتی نشان داد که المان فرضی اش رابطه ای بین شار و بار – مشابه آنچه مقاومت غیر خطی بین ولتاژ و جریان برقرار می کند – فراهم می کند . در عمل این بدان معنی خواهد بود که مقاومت المان با مقدار بار عبورکرده درونش تغییر خواهد کرد و این المان قابلیت به حافظه سپردن مقدار مقاومت بعد از قطع شدن جریان را خواهد داشت .

او همچنین به نکته ی دیگری اشاره کرد : اینکه این رفتار عملکرد سیناپس ها در مغز را برایش فرایاد آورده است هرچند که قبل از اینکه چوا به این اکتشاف مهمش دست یابد ، محققان زیادی چیزهایی را که آنرا در رابطه با رفتار ولتاژ – جریان در ادوات در مقیاس میکرومتر " غیرعادی "  تلقی می کردند ، گزارش کرده بودند .

اما این خصوصیات رفتاری غالبا به واکنش های الکتروشیمیایی غیرمشخص ، شکست های الکتریکی و یا پدیده های بدلی و نادرست نسبت داده می شوند که منسوب به ولتاژهای بالا بودند که محققین به ادواتشان اعمال می کردند .

این گونه که برمی آید تعداد کثیری از این گزارشات مثال های شناخته نشده ای از ممریستانس بودند . پس از اینکه چوا تئوری ممریستور خارج از دایره ی ریاضیاتی را مطرح نمود 35 سال دیگر طول کشید تا  این قطعه در آزمایشگاه های HP  ساخته شد . تنها 2 سال پیش بود که این قطعه  بطور کامل شناخته شد . راستی چه عاملی باعث به درازا کشیدن این اکتشاف شد ؟   

 همه چیز در " مقیاس " خلاصه می شود . ما هم اکنون می دانیم که ممریستانس یک ویژگی درونی هر مدار الکترونیکی است و وجود آن را می توان از قواعد کیرشهف یا ماکسول استنباط کرد در صورتیکه هرکدام از آنها مدارهای غیر خطی را در قرن نوزدهم در نظر می گرفتند . ولی مقیاس ادوات الکترونیکی که در طی دو قرن گذشته بکار می رفتند ،از مشاهدات آزمایشگاهی این اثر جلوگیری به عمل می آورد. نکته این است که ممریستانس از یک قاعده ی مربع معکوس مقیاس پیروی می کند. ممریستانس وقتی در مقیاس نانومتر است یک میلیون برابر زمانی که در مقیاس میکرومتر است ، مهمتر است و این اثر ذاتا در مقیاس های میلی متر و بزرگتر ،  غیر قابل مشاهده است . هرچه ما ادوات کوچکتر و کوچکتری بسازیم ، ممریستانس بیشتر و بیشتر مورد توجه خواهد بود و در مواردی المان غالب و چیره محسوب خواهد شد . این بود دلیل همه ی آن نتایج غریب که محققین توصیف کرده بودند . ممریستانس در سراسر محدوده ی صفحه ای پنهان شده بود ولی علیرغم همه ی سرنخ ها ، یافته های ما در مورد ممریستور کاملا غیر مترقبه بود .  ساختار یک ممریستور -که توسط یک تصویر میکروسکوپی نمایش داده شده است- حاقظه های متراکم و با ثبات را فراهم خواهد کرد .

ممریستانس چگونه کار می کند ؟  

 ساختار  ممریستور یک  (ساختار شطرنجی) است . یک مش کلا بهم پیوسته از رشته های عمودی – افقی است . دو رشته ی قاطع بوسیله ی یک سوئیج به هم متصلند . برای اینکه سوئیچ بسته باشد یک ولتاژ مثبت به دو سر دو رشته اعمال می شود تا به هم متصل شوند . برای باز کردن سوئیچ ولتاژ های معکوس باید به  رشته ها  اعمال شوند.

سوئیچ :  سوئیچ یک مکعب 40 نانومتری از اکسید تیتانیوم (  (TiO2 در دو لایه است . لایه ی زیرین دارای نسبت ایده آل 2:1  اکسیژن به تیتانیوم است که آنرا عایق کرده است . متقابلا لایه های بالایی 0.5 درصد از اکسیژن خود را از دست داده اند و در فرمول Ti  ،  x  برابر با  0.05  است. نواحی خالی   Ti را  ماده ای متالیک و رسانا کرده است .

ممریستانس اعمالی :  کمبود اکسیژن در    خود را در قالب "حباب اکسیژن" نمایش می دهد که در لایه ی بالایی پراکنده شده اند . یک ولتاژ مثبت روی سوئیچ از کسر اکسیژن   متالیک بالایی جلوگیری می نماید. بدین ترتیب که آنها را به سمت لایه ی   ارسال می نماید . این باعث می شود که مرز میان دو لایه بسمت پائین حرکت نموده و درصد  Ti  رسانا افزایش یابد و در نتیجه رسانایی کل سوئیچ افزایش می یابد  هرچه ولتاژ مثبت بیشتری اعمال شود ، مکعب رساناتری خواهیم داشت .

   یک ولتاژ منفی روی سوئیچ حباب های اکسیژنی باردار شده با بار مثبت را جذب می کند و آنها را از     خارج می کند . مقدار        مقاومت عایق افزایش یافته و سوئیچ بطور کلی مقاومتی می شود. هرچه ولتاژ منفی اعمالی بیشتر باشد ، مکعب رسانایی کمتری خواهد داشت .

        آنچه که این سوئیچ را خاص می کند ممریستیو آن است که وقتی ولتاژ قطع می شود ، چه این ولتاژ مثبت و چه منفی باشد ، حباب های اکسیژن نقل مکان نمی کنند . آنها در آنجا که بودند باقی می مانند . این بدان معناست که مرز میان دو لایه ی اکسید تیتانیوم ثابت می ماند.

 این است راز چگونگی به حافظه سپردن ولتاژ اعمالی توسط ممریستور !