Rühma saksa teadlaste poolt ajakirjas Spectrum der Wissenschaft 2011. aasta  Jaanuari numbris avaldatud artikkel ,,Maailma väikseimad bitid” (Die kleinsten Bits der Welt) annab hea ülevaate mäluefektiga takistite ehk memristoride saamisloost ja selles uurimisvaldkonnas  toimuvast.

Memristorides nähakse üht võimalust andmevahetusprotsesside kiirendamiseks infosüsteemides ja arvutite energianälja vähendamiseks.

Memristori idee ongi lühidalt väljendudes takistusoleku mäletamine – ühe või teise takistusväärtuse säilitamine (siirdesse kirjutamine) ja selle sealt väärtuselt madalama pingega mahalugemine.

Memristori nime ristiisaks ja ühtlasi ka üheks entusiastlikumaks uurijaks võib pidada ameerika elektroonikainseneri Leon Chuad, kes praegu töötab California Ülikooli juures Berkeleys. Aastal 1976 laiendas Chua oma memristoride kontsepsiooni tervele  klassile materjalidele, millede pingestamisel ja pingepolaarsuse muutmisel ilmneb pinge-voolu tunnusjoonel hüstereesiefekt.

Praktikas mõistetakse tänapäeval memristori all pigem mäluga lülittakistit (Wiederstandsschalter), mille mittelineaarne käitumine ning mäluefekt baseeruvad elektrokeemilisel oksüdatsioonil ja reduktsioonil.

Kahjuks vajus aga kuuekümnendatel ja seitsmekümnendatel aastatel tehtud oksiidide ja üleminekumetallide uurimisel tehtud praktiline tähelepanek ajaloos unustusehõlma ning Chuasi idee neljandast passiivelemendist takisti, kondensaatori ja drosseli (induktiivelemendi) kõrval pidi ootama aastakümneid enne kui uurijate huvi taas kord tärkas – nüüd juba seoses arvutimaailmale eluliselt tähtsate mäluelementidega.

Kuna memristorefekti täpne kontrollimine ja juhtimine on senini tehnoloogilises plaanis keeruline, siis globaalset läbimurret nende rakendamisel pole kahjuks toimunud.

Eksperimendid üleminekumetallide oksiididega

Eelmise sajandi üheksakümnendate keskel toimus üleminekumetalli oksiidide uurimise alal uus elavnemine. Sedakorda olid eestvedajaiks Nobeli preemia laureaat Georg Bednorz IBM uurimislaborist Šveitsis ja Yoshinori Tokura Tokio Ülikoolist. Eesmärgiks oli peamiselt andmekandjate mõõtmete ja voolutarbe minimiseerimine viisil, mis oleks pooljuhtmaterjalide tööstusele tehnoloogilises plaanis vastuvõetav.

Suurte elektroonikakorporatsioonide huvist andmekandjaid minimeerida ja nende tootmist odavamaks muuta kõneleb ka fakt, et suur osa sellealastest uuringutest viiaksegi läbi hiigelkorporatsioonide uurimislaboreis. Hewlett-Packardi laboratooriumi keemilise füüsika spetsialist Stanley Williams katsetas orgaaniliste molekulide rakendatavust memristorsiirete ülesehitamisel. Tema poolt läbi viidud eksperimendid näitasid, et hüstereesiefekt ilmneb orgaaniliste molekulide olekust sõltumata, ehk siis tegelikuks memristorefekti tekitajaks osutus hoopis titaani ja plaatina kokkupuutepinnal formeerunud titaanoksiidi kiht.

Üleminekumetalle iseloomustab eripärane viis, kuidas nad oma positiivse tuumalaengu kompenseerimiseks veel mitte täielikult hõivatud orbitaale elektronidega täidavad. Üldiselt täitub aine järjenumbri suurenedes elekrtronorbitaal viisil, mis tagab aatomile  põhiolekus parima energeetilise stabiilsuse. Ülekandemetallide puhul peab eelmainitule lisaks olema täidetud veel aatomi tuumale (energeetiliselt) lähim d-orbitaal. Seejuures genereeritakse täidetud d-orbitaalile lähimal s-orbitaalil elementaarlaeng, mis kvantfüüsika seisukohalt tähendab moonutatud energeetilise seisundi tekkimist, mis saab võimalikuks tänu sellele, et väline s-orbitaal ja seesmine d-orbitaal on oma energetiliselt potensiaalilt väga vähe erinevad.

Artikli autorite hinnangul on nende uuritavate memristorstruktuuride infotiheduse määraks suurusjärk 100  gigabit/cm², mis on ligi sada korda enam kui hetkel kasutatavatel pooljuhtidel baseeruvail mälustruktuuridel.

Asja praktilise poole pealt analüüsides võiks öelda, et mälutakisteil rajanevad struktuurid võiks esimeses lähenduses pakkuda head konkurentsi DRAM mälude valmistamisel, kus seni transistori ja kondensaatori baasil loodud inforaku mõõtmed on suurusjärgus 90nm. Töös kirjeldatud teststruktuuride puhul saame rääkida mälukristalli bitipunkti läbimõõdust mõne nanomeetri suurusjärgus. See tähendaks infopakke tihedust terabit ruutsentimeetri kohta, mis on  sada korda enam kui praeguse tehnoloogia poolt pakutu.

Autor: Arvo Tõnisoo

Viiteid:

1. Doolittle, W.A.  Calley, W.L.  Henderson, W. Sch. of Electr. & Comput. Eng., Georgia Inst. of Technol., Atlanta, GA, USA, “Complementary oxide memristor technology facilitating both inhibitory and excitatory synapses for potential neuromorphic computing applications“

2. Sung Hyun Jo, Ting Chang, Idongesit Ebong, Bhavitavya B. Bhadviya, Pinaki Mazumder, Wei Lu  “Nanoscale Memristor Device as Synapse in Neuromorphic Systems“