O memristor

Conceitualmente, o memristor é um elemento com dois terminais em que a resistência varia em função da carga e campo magnéticos aplicados. Possui a propriedade de “memorizar”, devido à ocorrência do fenômeno da histerese que, mantém sua memristência dinâmica alterada mesmo sem o potencial originalmente aplicado .

Imagem do memristor

Por esta característica promissora, o memristor tem sido uma potencial revolução em diversas áreas do conhecimento, com contribuições à nanotecnologia, microeletrônica, computação e aplicações em redes neurais.Combinado com o transistor em uma arquitetura híbrida, memristores podem melhorar significantemente o desempenho de circuitos digitais sem a necessidade da redução de escala nos projetos, que já está em 14 nanômetros, cada vez mais custosa e complexa.

HISTÓRIA DO MEMRISTOR  

Teorizado pela primeira vez em 1971 pelo professor Leon Chua, um distinto membro do Departamento de ciências da computação e engenharia elétrica da University of California Berkeley, o Memristor é o quarto elemento de circuito fundamental junto do resistor, capacitor e indutor. Fabricada baseado em nanoescala nos microchips, a tecnologia Memristor pode ser para revolucionar a computação.

Casos de comportamento similar ao do Memristor foram observados por pesquisadores por mais de 50 anos, mas era difícil provar a existência do elemento de circuito, principalmente porque o comportamento similar ao do Memristor é muito mais fácil de observar em dispositivos de nanoescala.

A imagem a seguir resume um pouco da história do memristor.

“Isto vai mudar a industria das memórias,” disse Stan Williams, Diretor da HP e fundador  do IQS Lab (Information and Quantum Systems Lab) em 2010, em um vídeo no site da HP. “Isso vai nos permitir continuar escalando – em outras palavras, indo para densidades cada vez maiores – assim como a indústria fez com a memória flash, mas, na verdade, com um produto que tem a capacidade e a aptidão, nós todos acreditamos, de substituir os HD’s e memórias DRAM nos computadores.”

COMO FUNCIONA O MEMRISTOR  

Trata-se de um tipo único de circuito de resistor que mantém a última voltagem aplicada a ele, mesmo após a energia ter sido desligada. Isso é obtido através da remoção dos elétrons dos óxidos no Memristor. Essa tecnologia pode se tornar uma alternativa mais rápida e mais barata à DRAM, memória flash e até unidades de disco. Combinando memória e armazenamento, os Memristors permitem o que chamamos de “memória universal”, aumentando radicalmente a eficiência e a velocidade de computação.

Uma outra forma de entender o Memristor é pensando em um canal que carrega água, com a água sendo a carga elétrica. A taxa do fluxo de água é a corrente elétrica, e a pressão na entrada do canal é a voltagem. O ponto do Memristor é que a quantidade de resistência elétrica do canal depende de quantidade de corrente que passou por ele anteriormente. Assim, a resistência depende da memória, no caso, o “Memristor”. Em um Memristor real, é o movimento dos íons através de distâncias de nanômetros que cria esse efeito.

A EVOLUÇÃO DO MEMRISTOR

 A descoberta de um novo dispositivo é um passo importante, mas é apenas o início de uma longa jornada de pesquisas e testes para sua efetiva aplicação tecnológica. Para se colher os benefícios é necessário o atingimento de diversas outras propriedades para sua adoção em projetos e posterior inclusão em escala industrial. Por se tratar de uma tecnologia que possibilita a substituição das tecnologias existentes, os fabricantes de dispositivos precisam garantir que determinados requerimentos sejam cumpridos. São dois grupos principais de considerações: a fabricação (no caso, o processo de fabricação, elementos utilizados, custo, compatibilidade) e desempenho (durabilidade, velocidade, temperatura operacional).

ESTÁGIO DE DESENVOLVIMENTO ATUAL

A Panasonic anunciou o desenvolvimento de um circuito de baixo consumo para sistemas de redes neurais , utilizando um memristor ferroelétrico combinado com um circuito CMOS. Trata-se do primeiro memristor ferroelétrico e pode registrar dados analógicos como resistência em um circuito CMOS conseguindo trabalhar os sinais digitais como se fossem analógicos. Espera-se que o consumo de energia de sistemas com esse circuito proporcione redução do consumo de energia, para um décimo dos circuitos convencionais.

A resistência de um memristor ferroelétrico pode ser utilizada para armazenar dados de valores intermediários, não se restringindo aos valores binário um e zero, fazendo-a ser capaz de armazenar muito mais dados ao mesmo tempo que utiliza menos energia. Aliando-se a grande quantidade de dados armazenada com novos operadores analógicos pode-se contribuir para criação de um circuito de processamento de sinais, que imita o processamento de neurônios no cérebro. Ao mesmo que pode replicar parcialmente o pensamento humano e fazer julgamentos com base em tendências.

A HP tem um projeto chamado The Machine que promete o primeiro computador comercial com memristor já em 2018.

O QUE VEM PARA O FUTURO

Assim, o memristor é um sistema analógico, e isso faz dele um sério candidato a simulador do comportamento biológico, digamos, como elemento central em circuitos neuromórficos. Por exemplo, a condutividade nos canais de potássio e sódio, que deu o Nobel de Fisiologia ou Medicina de 1963 a John Carew Eccles, Alan Lloyd Hodgkin e Andrew Fielding Huxley , pode ser associada a um memristor.

A principal propriedade do memristor é que, uma vez desligada a fonte de alimentação, as camadas puras e dopadas permanecem no estado em que se encontram e, quando a fonte é ligada, o memristor inicia do ponto em que estava. Ou seja, trata-se de um dispositivo versátil, que pode ser usado em circuitos analógicos ou digitais, e também como memória não volátil. É por essas propriedades que as principais aplicações devem surgir.

A imagem acima diz “Cérebros são feitos de memristores”. Será uma das aplicações do memristor para o futuro. Nesse contexto, o uso do memristor para simular sinapses em circuitos neuromórficos é uma das possibilidades relatadas na literatura. Outro uso possível seria a incorporação de memristores em circuitos computacionais usuais, para aumentar a capacidade de armazenamento e processamento de computadores – para este tipo de equipamento, no entanto, ainda não há protótipos registrados.

Referencias:

CHUA, L. Memristor-the missing circuit element Circuit Theory, IEEE Transactions on 18.5, 1971.

WILLIAMS, R. S. How we found the missing memristor Spectrum, IEEE 45.12, 2008.

STRUKOV, D. B. et al. The missing memristor found Nature 453.7191, 2008.

HAYES, B. The memristor American Scientist 99, 2011.

HPLAB <http://www.hpl.hp.com/>Acesso em: 21 de novembro de 2015.