Memristorid – infotehnoloogia suured lootused
Ülo Vaher
04.03.2011

Paljude IT-ajakirjade lehekülgedele on ilmunud uus sõna – „memristor” ning selle taha peituvaid võimalusi on asunud uurima mitmed firmad. Tutvume veidi lähemalt uue tõusva tähega infotehnoloogiavallas.

Nii meile kõigile koolipingis elektriõpetuse tundides kui ka elektriinseneridele instituutides on juba üle 150 aasta pähe tuubitud, et kõigi elektri- ja elektronskeemide põhilisteks fundamentaalseteks algkomponentideks on kolm baaselementi: takisti ehk resistor (avastatud 1827), kondensaator, mille tunnussuurus on mahtuvus (1745), ja mähis/pool ehk induktiivsus (1831). Sensatsioonipomm lõhkes 1971. aastal, kui autoriteetses elektroonikaajakirjas IEEE Transactions ilmus California ülikooli professori Leon Chua artikkel „Memristor – the missing circuit element” („Elektriskeemide puuduolev element”), milles ta matemaatiliste võrrandsüsteemide ja sümmeetriakaalutluste alusel tõestas/postuleeris, et lisaks resistorile, kondensaatorile ja induktsioonipoolile peab elektriskeemide põhielementide hulka kuuluma ka memristor – mittelineaarne muutuva takistusega resistor, mis säilitab oma viimase takistuse väärtuse ka pärast teda läbinud elektrivoolu katkemist, seega piltlikult öeldes ta mäletab oma takistust. Sellest omadusest tuletas Chua ka tema nime, liites memory (mälu) ja resistori (takistus).
Teadus kubiseb näidetest, kus keegi postuleerib mingi senitundmatu objekti või nähtuse, mis jääb n-ö intellektuaalselt huvitavaks ideeks seni, kuni see reaalselt avastatakse või realiseeritakse. Nii juhtus see ka memristoriga. Kuni 2008. aasta 1. mail ilmus ajakirjas Nature sensatsiooniline artikkel “The missing memristor found” („Puuduolev memristor leitud”), milles Hewlett-Packardi informatsiooni ja kvantsüsteemide laboris R. Stanley Williamsi juhtimisel töötanud teadlaste kollektiiv teatas, et neil on õnnestunud konstrueerida reaalne memristor.

Miks memristori avastamiseni kulus nii palju aega?
Idee esitaja Leon Chua seletab seda sellega, et kõik teoreetilise elektroonika alal töötanud teadlased ja insenerid olid ühe ebaõige kontseptsiooni ohvrid, kuna nad otsisid elektroonika baaselementide uurimisel seoseid mittekohaste elektriliste suuruste vahel, näiteks resistori ja memristori puhul pinge (V) ja voolutugevuse (I) vahel, mis memristori efekti korral meenutab vastavatel diagrammidel Lissajous-kujundit ehk number 8, millele vaadati kui mittelineaarsust ja hüstereesi väljendavale anomaaliale. Chua teooria kohaselt tuleb aga seoseid otsida hoopis pinge muutuste ja voolanud laenguhulga vahel. Ta tõi võrdluseks näite mehaanikast, kus üle 2000 aasta püsis antiikajast saadik Aristotelese liikumisseadus, mis ekslikult seostas keha liikumise kiiruse sellele mõjuva jõuga, enne kui Newton pani kokku õiged suuruste paarid, näidates, et nendeks on kehale mõjuv jõud ja kiirendus ehk kiiruse muutus. Oma otsinguid õigete füüsikaliste suuruste paaride valikul ja memristori avastamisel võrdles Chua ka Mendelejevi töödega, kes keemiliste elementide perioodilise süsteemi loomisel ennustas süsteemi seaduspärasustest lähtudes seni tundmatute elementide olemasolu, mida tegelikkuses avastatigi alles aastakümneid hiljem. Chua rõhutab, et memristor ei ole ainult järjekordne leiutis, vaid põhjapanev avastus, mis avab elektroonika arengus uued võimalused.
Muide, terminit „memristor” ei tohi segi ajada mõistega „memistor”, mille võttis kasutusele Bernard Widrow 1960. aastal, et tähistada komplekssemat kolme terminaliga elektroonikaelementi, mida kasutati ADALINE-tüüpi neutraalvõrkude loomiseks.

Memristori lihtne ja piltlik selgitus
Resistori heaks näiteks sobib veetoru, milles voolav vesi on analoogiks elektrilaengule. Veesurve toru otsas vastab elektripingele ja veevoolu kiirus torus sarnaneb elektrivoolu tugevusele resistoris. Nagu veevoolu kiirus torus on proportsionaalne survega ja pöördvõrdeline takistusega, nii on ka elektrivoolu tugevus proportsionaalne pingega ja pöördvõrdeline takistusega, mis on omakorda pöördvõrdeline toru ristlõike pindalaga. Memristor on piltlikult analoogne kujuteldava (virtuaalse) veetoruga, mille ristlõike pindala (seega ka takistus) võib vee voolamise mõjul muutuda. Kui vesi sellises torus voolab ühes kindlas suunas, siis toru diameeter suureneb (e takistus väheneb), kui aga vesi hakkab voolama vastupidises suunas, siis toru diameeter väheneb (takistus suureneb). Kui aga veevool katkestada, siis toru diameeter enam ei muutu ja jääb ühesuguseks, kuni veevool uuesti taastub. Sellise omadustega toru saaks ju hõlpsasti kasutada ka mäluseadmena, salvestades kahendarvu „1” näiteks toru suurema diameetrina, „0” aga vähema diameetrina. Memristoris saab näiteks „1” salvestada väiksema takistusena ja „0” vastavalt suurema takistusena.

R. Stanley Williamsi memristor
Hewlett-Packardi laboris R. Stanley Williamsi juhendamisel välja töötatud memristor koosneb üliõhukesest kahekordsest (50 nm) titaandioksiidi (TiO2) kilest, mis on asetatud 5 nm paksuste elektroodide (üks on titaan ja teine plaatina) vahele. Kusjuures ühes titaandioksiidkiles on vähendatud hapnikuaatomite kontsentratsiooni ja tekitatud sellega ühtlasi hapnikuaatomite vakantse, mis toimivad kiles elektrilaengute kandjatena ja seega suurendavad kile elektrijuhtivust (ehk vähendavad takistust) võrreldes selle kilekihiga, kus hapnikuaatomite kontsentratsiooni vähendamist ei toimunud.
Kui nüüd läbi sellele kahekihilise kile saadetakse elektrivool, siis hapniku nn vakantsid nihkuvad ja muudavad piiri suurema ja väiksema takistusega kihtide vahel. Selle tõttu muutub ka kogu kahekihilise kile elektritakistus sõltuvalt sellest, kui suur vooluhulk läbis kilesid ühes või teises suunas. Elektrivoolu suuna muutmisega võib kile takistust muuta vastupidises suunas. Hewlett-Packardi memristor ilmutab vajalikku ioonide liikumisvõimet vaid nanoskaalas. Memristance ehk nn mäletav takistus avaldub vaid siis, kui mõlemad kilekihid, nii „tühjendatud” kui ka „täistopitud”, osalevad takistuse muutustes. Olgu veel mainitud, et titaandioksiidi on üsna laialt kasutatud juba aastaid värvides ja naha päikesekaitse vahendites, sest ta vähendab oluliselt UV-kiirguse kahjulikku toimet.
Õhukeste oksiidikilede kasutusvõimaluste uurimine mäluseadmetes on käsil ka mitmes teises laboris. Näiteks kirjeldas IBM Williamsi omaga analoogset seadet juba 2000. aastal. Samsung aga sai sarnasele seadmele USA patendi.
Memristorid on nanomõõtmetes seadmed, mis suudavad elektrivoolu toimel muuta oma takistuse suurust ja mäletada seda suurust ka pärast elektrivoolu väljalülitamist, andes suurepärase võimaluse luua mittekustuvaid mälukiipe erinevate IT-seadmete tarbeks ja kujuneda potentsiaalseteks konkurentideks tänapäeval üha kasvaval välkmälude turul. Välkmälusid kasutavad tänapäeval arvukad seadmed, nagu nutitelefonid, MP3-pleierid, videokaamerad jne, mälupulkadest ja teistest välistest mäluseadmetest rääkimata. Tuleb vaid luua piisavalt suure hulga elementidega ja väikeste mõõtmetega kiipe. Hewlett-Packard valmistab neid praegu tavalise litograafilise tehnika teel: kõige alla asetatakse rida paralleelseid metallist nanojuhtmeid, mis kaetakse mõne nanomeetri paksuse titaandioksiidi kihiga, neile omakorda asetatakse teine metallist nanojuhtmete kiht, mis on risti alumise kihiga. Need kohad, kus metalljuhtmed ristuvad, on vaid kolme nanomeetri paksused memristorid.

Memristorite kasutamise perspektiivid
Loodetakse, et memristorite baasil saadud mälu maht võib sama ruumala juures olla kaks korda suurem seni kasutatavatest ning peab vastu mitu korda suuremale kirjutus- või lugemiskordade arvule. Teatavasti on ilmnenud, et välkmälu on võimeline vastu pidama vaid 100 000 ümberlülitustsüklile, kuid Williamsi väitel on neil laborikatsetes memristoritega olnud võimalik viia see arv miljonini. Memristoritel põhinevate uute välkmälu asendavate seadmete väljaarendamiseks ja masstootmise organiseerimiseks sõlmis HP vastava lepingu Korea mäluseadmetele spetsialiseerunud elektroonikafirmaga Hynix Semiconductor. Eesmärgiks on tuua juba 2013. aastal turule seade, mis ületab välkmälu nii kiiruse, võimsuse ja vastupidavuse kui ka pakkimise tiheduse poolest (kuni 20 GB/cm2), neid kihte võib üksteisele laduda tuhandeid.
Lisaks välkmälu asendajana on memristoritel perspektiivi ka arvutite põhimälu – suva(otse)pöördumisega dünaamilise operatiivmälu DRAM asendajana. Teatavasti on DRAMi kaasasündinud puuduseks see, et info säilitamiseks temas tuleb iga tema mäluelementi, mis sisaldab mingit bitti, pidevalt toita elektrivooluga, milleks tänapäeval kasutatakse enamikel juhtudel akusid. Akude mahtuvused töö käigus vähenevad, arvutite võimsused aga kasvavad ja nii võib juhtuda, et keset kõige paremat tööhoogu ütleb teie arvuti üles ja töö jääb pooleli või isegi läheb kaotsi osa juba senitehtust. Kui aga kasutada arvutites DRAM-tüüpi operatiivmälu asemel memristoritel põhinevat RRAM (Resistive Random Access Memory) tüüpi mälu, võiks arvuti töötada tundide asemel nädalaid, enne kui tekiks vajadus akusid ümber laadida. Samuti saaks püsiva operatiivmälu korral vältida tüütut ajaraisku arvuti sisselülitamisel ja käivitamisel – see saaks toimuda praktiliselt silmapilkselt.
USA standardite ja tehnoloogiainstituut on asunud kasutama ka memristorite seda omadust, et seda tüüpi mälu võib ehitada elastsele kilele, tänu millele võib teda purunemist kartmata painutada või kokku kerida. Seda omadust saab ära kasutada meditsiinis. Näiteks võiks pidevat arstlikku jälgimist vajava patsiendi naha alla paigaldada kiibi, mis pidevalt mõõdaks näiteks vererõhku või veresuhkru taset.
Memristori võimalused ei piirdu üksnes mäluseadmete valdkonnaga. Nad võivad sooritada väga hästi ka loogilisi operatsioone/tehteid, mida sooritavad tavaliselt mikroprotsessorid, mistõttu on avanenud võimalus tulevastes arvutites liita mälu ja protsessor üheks kompaktseks ja kiireks seadmeks.

Memristor pakub võimalusi tehisaju loomiseks
Memristori põhjalikumad uurimised on näidanud, et need võivad käituda hämmastavalt sarnaselt sünapsidega, mis on teatavasti üliväikesed ühendused närvirakkude vahel ajus, mille kaudu toimub signaalide/info edasiandmine ning lõppkokkuvõttes on aluseks kogu ajutegevusele, sealhulgas ka mõtlemisele. Teadlased on juba pool sajandit näinud vaeva, et luua digitaalsete elektronarvutite baasil tehisintellekti ja selle najal intelligentseid roboteid, kuid seni pole nende jõupingutused oodatud tulemusi andnud. Üks peamisi põhjusi seisneb selles, et sünapsid on pigem analoogarvutusseadmete sarnased ning ajutegevuse, sealhulgas ka mõtlemise puhul sünapside n-ö takistus signaalide edasiandmisel muutub, sõltudes eelnenud signaalide sagedusest ja tugevusest. Traditsiooniliste elektronarvutite puhul tuleb ühe sünapsi imiteerimiseks luua üsna keerukas mikroskeem ja programmijupp, mistõttu näiteks isegi miljardi neuroni ja sünapsi puhul (aga inimajus on neid umbes sada korda rohkem) kaaluks selline „aju” tonne ja vajaks tööks megavatte elektrienergiat. Nanomõõtmetega memristori kasutamisel on lootus vähendada tehisaju kaalu ja energiatarvet tuhandeid kordi ning luua praktikas kasutatav seade. Loomulikult vajab see paljude teadlaste ja inseneride suurt tööd ja sellele vastavat rahastamist.

Sarnased artiklid