Hewlett-Packard открыла потерянное звено в теории электроники

Четвёртый базовый элемент микросхем, предсказанный ещё 37 лет назад, родился в лаборатории Hewlett-Packard (HP Labs), в группе под руководством Стенли Уильямса (R. Stanley Williams).

Американские специалисты создали мемристор (memristor) — нелинейное сопротивление с памятью. Придумал его в 1971 году Леон Чуа (Leon Chua) из университета Калифорнии в Беркли (University of California, Berkeley), предсказав, что задумка должна стать четвёртым базовым элементом электроники после конденсатора, сопротивления и катушки индуктивности. Однако до сих пор мемристор оставался гипотетическим устройством, не имеющим физического воплощения.

Теперь HP Labs построила мемристор на основе тонких плёнок диоксида титана с точно выверенным и неравным распределением атомов титана и кислорода на различных уровнях. В результате мемристор меняет своё электрическое сопротивление в зависимости от проходящего тока. Подробности работы её авторы изложили в своей статье в Nature.

“Это не только изобретение, это — фундаментальное научное открытие”, — прокомментировал в EETimes Леон Чуа достижение Уильямса и его коллег.

Далее учёный пояснил: “Этот новый элемент решает многие проблемы, связанные с сегодняшними схемами, поскольку повышает производительность по мере перехода на всё более мелкие составные части чипов. Мемристор позволит создать устройства в масштабе нанометров, которые должны работать быстрее без генерации всё большего количества избыточного тепла, которая ныне ограничивает уменьшение размеров транзисторов”.

Также Леон сравнил историю свого изобретения с ситуацией вокруг периодической таблицы. Некогда Менделеев, расставивший элементы по строчкам и столбцам, говорил, что пустые клетки таблицы со временем будут заполнены. И действительно, недостающие элементы были открыты в последующие годы. То же и с мемристором, выведенным “на кончике пера” почти четыре десятка лет назад.

Кроме того, Чуа считает, что появление мемристора должно сподвигнуть специалистов по электронике на пересмотр ряда парадигм. Он поясняет, что до сих пор в теории электронных схем основополагающим считалось соотношение между напряжением и зарядом (на тех или иных элементах). Однако правильнее рассматривать соотношение между зарядом и скоростью изменения напряжения — утверждает американский учёный.

Он сравнивает нынешнее заблуждение теоретиков с законом движения Аристотеля, который утверждал, что сила, прикладываемая к телу, должна быть пропорциональна скорости. Только через пару тысячелетий после греческого мыслителя Ньютон “исправил” ошибку, установив, что сила пропорциональна ускорению.

Особенностью мемристора является гистерезис, проявляющийся при циклическом изменении в напряжении и проходящем через элемент токе: фактически сопротивление элемента зависит от заряда, который проходил через него ранее. И то, что обычная теория электроники рассматривает как аномалию или помеху, здесь является основой функционирования устройства.

Ток, проходящий через мемристор, способен менять его сопротивление в тысячу раз, фактически осуществляя переключение между двумя состояниями, благодаря чему новый элемент и может служить ячейкой памяти.

Чуа подчёркивает ещё одно важное достоинство “новичка”: по мере уменьшения размеров он работает только лучше и лучше. И ещё: команда Уильямса уже показала в своей опытной схеме, что определённая комбинация мемристоров может выполнять работу транзистора, но только “с очень отличной физикой” (по определению Стенли).

“Я никогда не думал, что буду жить достаточно долго, чтобы увидеть мемристор”, — подытожил Чуа.