Memristör nedir ve ne işe yarar?

Elektronikte kayıp halka olduğu onlarca yıl önce teorize edilmiş olmasına rağmen, birkaç yıl öncesine kadar uygulanamayan dijital elektronikte önemli bir parça olan memristörü mutlaka duymuşsunuzdur. Bu parça, bir transistör ve bir direnç arasındaki bir karışımdır. Ve sahip olabileceği kullanım alanları ilginç.

Temel elektronik cihazlar

Temel elektronik, dirençler, kapasitörler, piller, diyotlar ve transistörler gibi yalnızca standart elektronik bileşenleri kullanan elektronik devrelerin incelenmesidir. Bu tür devreler genellikle “düşük teknolojili” olarak adlandırılır çünkü birçok yüksek teknoloji ürünü bileşen içermez. Ancak bu alanın sunabileceği çok şey var çünkü basit devreler tasarlarken faydalı olabilir. Bir kariyer olarak temel elektroniği takip etmeyi planlamasanız bile, bu bilgileri kişisel projeleriniz veya okul sınavlarına çalışmak için yararlı bulabilirsiniz.

Dirençler

Direnç, elektrik akışını kontrol eden bir bileşendir. Direnç miktarı Ω (ohm) cinsinden ölçülür ve daha yüksek sayılar daha az direnç (diğer bir deyişle daha fazla voltaj) anlamına gelir. Elektrik bir dirence girdiğinde, yüklerden biri tamamen direnç tarafından emilecek ve yükün geri kalanı kendi yoluna gidecektir. Geri kalan yük ısı olarak salınır. Açığa çıkan ısı miktarı direncin direnç miktarına bağlıdır. Bu nedenle devrelerde genellikle üretilen ısı miktarı için doğru boyutta olan dirençler kullanmak zorunda kalırız.

Dirençler birçok farklı malzemeden yapılmıştır, ancak karbon en yaygın kullanılanıdır. Karbon, diğer malzemelere göre daha yüksek bir elektron konsantrasyonuna sahip olduğu için elektrik yükünü emebilir. Elektrik bir karbon dirence yönlendirildiğinde, karbondaki elektronlar ısıyı geride bırakarak yükü emebilir. Elektronik bileşenler, yüksek bir elektron konsantrasyonuna sahip olduğu için karbondan yapılabilir. Direnç, elektronları absorbe edebilen veya içinden akmasına izin verebilen atomlara sahip bir bileşendir. Bir bileşenin içindeki elektronların sayısı, dışındaki sayıdan büyükse, elektronlar bileşenden akacaktır. Elektrikli bileşenler, elektrik akışını kontrol etmek için elektronları depolayabilen malzemelerden yapılmıştır. En önemli bileşen dirençtir.

Kapasitörler

Kondansatör, elektrik enerjisini depolayabilen bir devre bileşenidir. Bu yararlıdır, çünkü elektrik bir kapasitörde depolandığında, bir devreden hızla akması gerekmez. Aslında, çok daha yavaş bir hızda akabilir, bu da özellikle filtreleme ve amplifikasyon için yararlıdır. Dirençler gibi, kapasitörler de birçok farklı malzemeden yapılır, ancak en yaygın olarak iletken malzemelerden yapılırlar. Kondansatör yapmak için en yaygın kullanılan iki malzeme alüminyum ve plastiktir. Bununla birlikte, kapasitörler aynı zamanda iletken olan diğer birçok malzemeden yapılmıştır. Bir kapasitör seçerken en önemli iki faktör, sahip olduğu kapasitans miktarı ve voltajdaki kapasitansıdır.

Diyotlar

Diyot, elektriği bir yönde ileten ancak diğer yönde engelleyen bir bileşendir. Başka bir deyişle, bir diyot elektriğin içinden akmasına izin verir, ancak yolunu bloke eder. Diyotlar elektronik devrelerde kullanılır, çünkü bir devreden geçen elektrik miktarını kontrol etmenizi sağlarlar. Elektriği yükseltmek veya tamamen bloke etmek için kullanılabilirler. En yaygın iki diyot türü silikon ve galyum arsenittir (veya “germanyum”). Çoğu elektronik cihazda, devreden akan elektriği yükseltmek veya tamamen bloke etmek için silikon diyot kullanılır.

Piller

Elektronik devrelerin güce ihtiyacı vardır. Bu güç, pillerden veya alternatif akım (AC) güç kaynağından gelebilir. Elektronik cihazlarda kullanılan birçok pil türü vardır, ancak en yaygın olarak kullanılanlar alkalin, lityum ve nikel-kadmiyumdur. Alkalin piller, küçük elektronik cihazlarda en yaygın kullanılan pil türüdür. Lityum piller, dizüstü bilgisayarlar ve akıllı telefonlar gibi taşınabilir elektronik cihazlarda en yaygın kullanılan pil türüdür. Nikel-kadmiyum piller en az kullanılanlardır.

Memristor nedir?

Berkeley’deki California Üniversitesi’nde elektrik mühendisliği profesörü olan Leon Ong Chua, ilk olarak 1971’de böyle bir kalıcı elektronik bellek cihazının olasılığını fark etti ve ona bir memristör (IEEE Devre Teorisi, “Memristör”) adını verdi.

Şu anda modern elektronikte kullanılan diğer belleklerin aksine, memristörler dayanıklıdır ve makine güç kaybettiğinde bile durumlarını hatırlar. Memristör, 2008 yılında HP Araştırma Laboratuvarlarında Stanley Williams liderliğindeki bir grup bilim insanı tarafından keşfedildi. İletken ve daha az iletken bir durum arasında geçiş yapan metal oksit ince film cihazlarının Leon Chua’nın memristörlerinin davranışını sergilediğini buldular.

O zamandan beri bu alanda çok araştırma yapıldı. Memristörler (Doğa Nanoteknolojisi, 6-nm yarım adımlı ve 2-nm kritik boyutlu Memristör çapraz çubuk dizileri) ve çok katmanlı istifleme (120 milyar döngü) dahil olmak üzere çok yüksek yoğunluklu çapraz çubuk dizileri yakın zamanda gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma sayesinde bilgisayar sistemleri artık sıklıkla memristör kullanıyor (memristörler son derece hızlı ve güvenilir). RAM, bilgisayarlarda kullanıcı çalışırken veri depolamak için kullanılır; ancak güç kesilirse veriler kaybolur. Flash bellekler ise güç olmadığında bilgileri saklar, ancak çok daha yavaş çalışırlar. RAM’in hızını ve güvenilirliğini birleştiren bir bellek, her iki dünyanın da en iyisi olacaktır.

Memristörlerin, onları bilgisayar bilimcileri için çekici kılan çeşitli avantajları vardır. Çalıştırmak için daha az güç gerektirirler, mevcut katı hal depolama teknolojilerinden daha hızlıdırlar ve kolaylıkla temin edilebilirler. Radyasyondan zarar görebilen geleneksel transistörlerin aksine, memristörler neredeyse radyasyon geçirmezdir. Ayrıca memristörler ile ışık anahtarı gibi açılıp kapanan bilgisayarlar oluşturabilirsiniz.

Memristör üretimi

Memristörler değişken dirençli olmalarına rağmen elektriksel dirençleri sabit olarak ayarlanmıştır. Bir memristörün voltaja bağlı direnci, elektriksel özelliklerine özgüdür. İlginç bir şekilde, memristörler, iki metal elektrot arasında ince bir titanyum dioksit filminden oluşan oldukça basit bir yapıya sahiptir. Memristörler, metal elektrotların yan yana yerleştirilmesiyle oluşturulur. Memristörlerin gerilime bağlı direnci, onları dikkate değer kılan şeydir. Bilim adamları, metal oksitlerin, kalkojenidlerin, amorf silikon, karbon ve polimer-nanopartikül kompozitlerinin ezberleme davranışı sergilediğini keşfettiler. Ayrıca, protein tabanlı nanocihazların memristör olduğunu da göstermişlerdir.

Araştırmacılar ayrıca, memristörlerin öğrenme özelliklerini optik araçlarla, yani ışıkla tersine çevrilebilir şekilde kontrol etme yeteneğini de gösterdiler. Memristör cihazlarının uyandırdığı büyük ilgi, biyolojik sinapsların hafıza ve öğrenme özelliklerini taklit etmelerinden de kaynaklanmaktadır, yani cihazın elektriksel direncinin değeri içinden geçen akımın geçmişine bağlıdır.

Memristör özellikleri

Memristörlerin nöromorfik bilgi işlem uygulamalarına dahil edilmesinin beklendiği ışığında, yeni nesil ultra hızlı, düşük güçlü, yoğun bellek kullanan AI cihazları tasarlamak mantıklıdır. Bilgisayarlar ayrı bellek ve işlem birimlerine sahip olduğundan, sinir ağları dijital bilgisayarlardan daha düşük miktarda güçle işlem yapabilir. Ayrıca, nöronlar beyin için hafıza işlevi görerek sinir ağlarını güçlü kılar.

Bilim adamları, nöromorfik cihazlar oluşturmak için fiziksel olarak biyolojik sinir sistemlerine benzeyen yapay sinir sistemleri geliştirmek istiyorlar. İnsan beyninde yaklaşık 10.000 sinaps vardır, 1.000’in biraz üzerinde nöron vardır ve nöromorfik devreyi insan beyni seviyelerine ölçeklendirmek için düşük güçlü, nano ölçekli sinaps benzeri bir cihaz gerektirir. Memristörler, insan beynindeki sinapslarla aynı anahtarlama davranışını sergilediklerinden, insan beynindeki öğrenme ve hesaplamayı simüle etmek için nöromorfik işlemcilerde kullanılabilirler.

Sinaptik rekabet ve işbirliğinin sinirbilimciler için kritik olduğuna inanılıyor. Katı hal sisteminde sinapsları taklit eden bellek cihazları oluşturmak ve bu davranışları uygulamak artık mümkün.