سيستم ممريستور
سالي ادي، از نویسندگان نشريات IEEE با هیجانی که از اخبار مربوط به ساختهشدن ممریستور داشت، در وبلاگ Tech talk نوشتهاست: «خبرهای ما معمولاً به شکل ''کوچکترین تراشه ساختهشده!''، ''دورترین صورت فلکی تصویر شده!" یا "قویترین میکروسکوپ ساختهشده!" هستند. اینها تقریباً جالبترین خبرها در این گوشه دنیای روزنامهنگاری هستند (نه این که با ترانزیستورهای کوچکتر مشکلی داشتهباشیم). اما بیایید ببینیم که سرخط اخبار امسال، سال آینده و سال بعدش یک جور خبر است. اما هرچند وقت یک بار درباره چیزی کاملاً تازه مینویسیم؟»
یک فیزیکدان در آغاز یک کتاب اپتیک غیرخطی نوشتهبود: «آثار خطی به فیزیک زیبایی میدهند و آثار غیرخطی به آن هیجان میبخشند.» بیمناسبت نیست که یافتن و کنترل کردن پدیده ممریستنس(Memristance) و کارکرد ویژه آن، ممریستور، را نیز در میان هیجانهایی قرار دهیم که از دنیای پیچیده پدیدههای غیرخطی برآمدهاست. چندین دهه از پیدایش صنعت میکروالکترونیک میگذرد و میتوان گفت همه پیشرفت و پیچیدگی گذشته و کنونی این صنعت بر پایه سیستمهای خطی مستقل از زمان بودهاست که با نظریه سیستم LTI توصیف ميشود. هر کدام از ما که با فیزیک دبیرستانی آشنا باشیم، برخی از مهمترین معادلههای الکترونیک خطی را به خوبی میشناسیم: قانون اُهم: V=RI، قانون خازنها:
dq=C.dV و نیز رابطه میان بار و جریان الکتریکی: dq=i.dt. البته، با شکل غیردیفرانسیلی این قانونها آشناتر هستیم: q=C.V و مانند آن. اما سر و کار ما معمولاً با قطعههای «خوشرفتار» است، قطعههایی که واکنش آنها در برابر یک سیگنال ورودی، به سادگی با یک ضریب ثابت معلوم میشود.۳۸ سال پیش استاد جوانی در دانشگاه کالیفرنیا در برکلی از این وضع ناخرسند بود. لئون چوا از یک سو به الکترونیک غیرخطی علاقه داشت و معتقد بود، ناشناختهها و امکانات آن از سوی جامعه آکادمیک و صنعت مورد بیتوجهی قرار گرفتهاند و از سوی دیگر، الکترونیک را به عنوان مجموعهای منسجم و پیوسته (و نه فقط به شکل گردآیهای از ترفندها و قانونهای مفید برای مهندسی) در نظر میآورد.
بگذارید باز هم جملهای را از یک کتاب فیزیک نقل کنم. دیوید گریفیتس جایی در کتاب ذرات بنیادیاش نوشتهاست: «نخستین مرحله در پیشرفت هر دانشی، دستهبندیکردن است.» مندلیف با دستهبندی کردن عنصرها براساس خواص آنها در جدول تناوبی توانست وجود و خواص عناصری نایافته را پیشگوییکند. "مندلیفِ" فیزیک ذرات بنیادی نیز مورِی گِلمان بود که با دستهبندی ذرات بنیادی شناختهشده در راههای هشتگانهاش، توانست راهگشایی مشابهی را سبب شود. دستهبندیکردن معادلههای الکتریسیته و مغناطیس به دست جیمز کلارک ماکسوِل و یافتن قطعه گمشده پازل الکترومغناطیس کلاسیک توسط او نیز یک نمونه زیبای دیگر است. در هر مورد، ذهن درخشانی تلاش کردهاست به معلومات موجود در یک شاخه از دانش نظمی دهد و سپس با یافتن نظام حاکم بر آن، جای خالی یک یا چند عنصر بنیادی در آن نظام مشخصشدهاست. البته، در این میان به جز هوشمندی، جسارت نیز لازم بودهاست. خودتان را جای مندلیف بگذارید و ببینید شهامتش را دارید وجود عنصرهای جدید را پیشگویی کنید؟
کشف شدن ممریستور نیز داستان مشابهی داشتهاست. کاشف فروتن ممریستور را باید لئون چوا دانست. هنگامی که او تکههای نظریه مدار را بر اساس فرض وجود یک نظام کلی در کنار هم نهاد، پی به وجود عنصر چهارم برد، عنصری که از یک سو به خاطر دور از دسترسبودن تجربی آن و از سوی دیگر به خاطر عدم احساس نیاز به آن از سوی جامعه علمی و صنعتی در دهه ۱۹۷۰ و پس از آن، مورد توجه شایستهقرار نگرفت. همگان با عنصرهای خطی غیرفعال (passive) مدار و نیز با دیودها و ترانزیستورها به قدر کافی شاد و راضی بودند و دردسر عنصری غیرخطی که نمود واضحی هم نداشت، چندان ضروری بهنظر نميرسد.
هنگامی که چوا چهار کمیت بنیادی مدار (بار و جریان الکتریکی، اختلاف پتانسیل الکتریکی و شار مغناطیسی) را در رابطه با یکدیگر و نیز در رابطهشان با عنصرهای غيرفعال مدار مورد توجه قرار داد، پی به غیبت عنصر چهارم برد (شکل۱). البته این را نمیشد در آن زمان یک کشف خواند، بلکه بیشتر صورت یک فرضیه را داشت. چوا (مانند مندلیف و گلمان) فرض کردهبود که در این نظام باید تقارن وجود داشتهباشد و این تقارن او را به رابطه میان بار الکتریکی و شار مغناطیسی و نیز به ممریستور رهنمون کرد. از نظر فیزیکی فرضیه او چندان سرراست بهنظر نميرسيد، زيرا معمولاً از بار الکتریکی تا شار مغناطیسی یک مرحله میانی وجود دارد: بار باید به حرکت درآید و به شکل جریان، میدان مغناطیسی را ایجاد کرده یا با میدان مغناطیسی ایستا برهمکنش کند. میان یک بار الکتریکی ساکن و یک میدان مغناطیسی ثابت، برهمکنشی وجود ندارد. پس در همان زمان نیز معلوم بود که ممریستنس باید خاصیتی مربوط به ساز و کار درونی قطعه باشد، شاید هم به خواص مواد سازنده قطعه و ترکیب آنها در ساختار قطعه مربوط بود. از سوی دیگر، ضریبی که میتواند بار الکتریکی را به شار مغناطیسی ربط دهد، باید ابعاد مقاومت الکتریکی را داشتهباشد، یعنی باید از جنس مقاومت باشد.
نمودار جریان بر حسب ولتاژ برای یک ممریستور غیرخطی، به صورت یک منحنی لیساژو است که در فرکانسهای مختلف تغییر شکل میدهد و از یک محدوده فرکانسی به بالا، به خط راست تبدیل میشود. منحنیهای لیساژو شکلهای بستهای هستند که کاربران اسیلوسکوپ به خوبی با آنها آشنایند. یک منحنی لیساژو زمانی به دست میآید که دو نوسان سینوسی عمود بر هم، اختلاف فاز و (احتمالاً) اختلاف فرکانس داشتهباشند. نمودارهای ولتاژ و جریان در یک ممریستور غیرخطی نیز دقیقاً چنین حالتی نسبت به هم دارند: فرکانس یکسان و یک اختلاف فاز ثابت (شکل ۲ را برای یک نمونه شبیهسازیشده ببینید)
اگرچه کار چوا در زمینه توصیف ممریستور در سال ۱۹۷۱ مورد توجه و استقبال قرار نگرفت، اما او به همراه کَنگ، در سال ۱۹۷۶ مفهوم ممریستور را به خانواده فراختری از سیستمهای دینامیکی غیرخطی توسعه دادند و این خانواده کلیتر را سیستمهای ممریستیو (Memristive) نامیدند. برای به دست آوردن ذهنیتی از دینامیک حاکم بر این سیستمها، باز هم قانون اُهم را در نظر آورید، اما این بار ضریبی که جریان را به ولتاژ مربوط میکند، یعنی همان مقاومت غیرخطی، میتواند افزون بر w تابعی از خود جریان و تابعی از زمان نیز باشد. همچنین آهنگ زمانی تغییر w نیز دیگر لزوماً برابر با خود مقاومت نیست، بلکه برابر با تابعی مانند f است که علاوه بر جریان میتواند به w و به زمان نیز وابسته باشد. در چنین سیستمی دیگر با دانستن میزان بار نمیتوان لزوماً شار مغناطیسی را یافت. مقاومتهای عادی و ممریستورها هر دو عضوهای سادهتری از این خانواده بزرگتر دینامیک ممریستیو هستند. چوا و کَنگ نشان دادند که با چنین دینامیکی میتوان منحنی مشخصه جریان-ولتاژ برخی سیستمها مانند پیوند جوزفسون (نوعی پیوند میان دو ابَررسانا با جفتشدگی ضعیف که در فیزیک ماده چگال اهمیت زیادی دارد)، لامپهای نئون و حتی یکی از مدلهای کارکرد نورون (مدل Hodgkin و Huxley) را مدلسازی کرد. با وجود همه اینها، رابطه مستقیمی میان این روابط ریاضی و خصلتهای فیزیکی هیچ سیستم ملموسی در آن زمان پیدا نشد. از این رو، با گذشت تقریباً چهل سال، مفهوم ممریستنس چندان مورد توجه قرار نگرفت تا آن که استنلی ویلیامز و گروهش در آزمايشگاههاي HP توانستند نمونهای از آن را بسازند (مقاله «ممریستور ناپیدا را چگونه یافتیم» در همین پرونده ببینید).
در اینجا خوب است نکتهای را که چوا و ویلیامز هر دو به آن اشاره کردهاند، یادآوری کنيم: هیچ ترکیبی از سه نوع قطعه غيرفعال دیگر در مدار (مقاومت، القاگر و خازن) نمیتواند رفتار ممریستور را بازسازی کند، حتی اگر آن قطعهها رفتار غیرخطی هم داشتهباشند. چوا این اصل را در یکی از مقالههای خود در دهه ۱۹۷۰ ثابت کرد. اهمیت این نکته در آن است که حتی اگر جامعه الکترونیک به این نتیجه رسید که ممریستور قطعه چندان مفيدي نیست و دنیا با همان سه قطعه سنتی پیشین زیباتر است، نمیتوان منکر بنیادی بودن آن در نظریه مدار شد. به بیان دیگر، هنگام معرفیکردن قطعههای مدار در کتابهای درسی و نیز در صنعت، نمیتوان از ممریستور نام نبرد. تنها میتوان گفت آن را مفید نمیدانیم یا هنوز شیوه خوبی برای بهرهگیری از آن در مدارها نیافتهایم. از این رو است که میبینیم یابندگان ممریستور از حدود یک سال پیش که نخستین نمونه تجربی آن را ارائه کردند، تلاش خود را بیشتر بر آن گذاردند که شیوههای استفاده از آن را در مدارها و ساختارهای محاسباتی مختلف نشان دهند. البته، نمونههای تجربی دیگری از ممریستور نیز از آن زمان تاکنون ارائه شدهاند که برخی از آنها از مواد مغناطیسی هم استفاده میکنند
مدل سادهای از سیستم ممریستیوی را که ویلیامز و گروهش ساختند، در شکل ۳ میبینید. ساختمان ساده این قطعه از دو لایه دیاکسید تیتانیوم تشکیل شده که میان دو الکترود پلاتینیومی قرار گرفتهاند. مبنای کار این قطعه، جابهجایی مرز میان دو قسمت مختلف دیاکسید تیتانیوم است: قسمتی که اساساً خالص است و قسمت مجاور آن که ناخالصی دارد. شکل ناخالصی هم در این قطعه بسیار ساده است و برخلاف بیشتر نمونههای ناخالصی در قطعههای نیمرسانا که شامل مادهای خارجی هستند، در این قطعه ناخالصی به سادگی کمبود تعدادی از اتمهای اکسیژن است. در ساختار بلوری دیاکسید تیتانیوم، این جایگاههای خالی تا حدی امکان جابهجایی دارند. قسمتی که این ناخالصی را دارد، رساناتر از قسمت خالص(تر) است، زيرا الکترونها میتوانند میان این جاهای خالی حرکت کنند. اما در ضمن امکان جابهجایی این جایگاههای خالی محدود است، به این معنی که در نبود یک ولتاژ خارجی، کم و بیش ثابت هستند. همین خاصیت باعث میشود که این قطعه مانند یک رئوستا یا مقاومت متغیر عمل کند که در آن، تغییر مقاومت در اثر خود ولتاژی که به قطعه اعمال ميشود، ایجاد میشود. ساختن چنین سیستمی با استفاده از تعدادی اجزای فعال و غیرفعال مدار ممکن است، اما این که خود یک قطعه به تنهایی چنین خاصیتی داشتهباشد، کشف نوینی است. متغیر مستقل w که پیشتر دربارهاش گفتیم، در اینجا ضخامت همان لایه دارای ناخالصی است (انتخاب کردن ضخامت لایه خالصتر به عنوان w هم اساساً تفاوتی در مسئله ایجاد نمیکند، زيرا مجموع ضخامت این دو لایه ثابت و برابر با D است). پس مقاومت کل این قطعه برابر با مجموع مقاومت لایه خالصتر (Roff) و مقاومت لایه ناخالصتر (Ron) است که به طور سری قرار دارند.
در سادهترین حالت که مقاومت هر دو لایه دیاکسید تیتانیوم تابع قانون اُهم باشد و رانش جاهای خالی اکسیژن در آنها نیز تابعی خطی از میدان یکنواخت درون قطعه باشد، میتوان معادلات سیستم ممریستیو را حل کرد که آهنگ تغییر w و نیز رابطه میان ولتاژ و جریان را به دست میدهند. در این حالت، w تابعی خطی از q (بار الکتریکی) خواهدبود که اساساً همان ممریستور را توصیف میکند، یعنی در این حالت ساده، سیستم به یک ممریستور تبدیل شدهاست.
سرانجام، میتوان رابطهای ساده برای ممریستنس سیستم برحسب پارامترهای ثابت قطعه و میزان بار درون آن به دست آورد. نکته مهم آن است که در این رابطه نهایی میبینیم مجموع ضخامت دو قطعه دیاکسید تیتانیوم (D) با توان دو در مخرج کسر جمله وابسته به بار ظاهر میشود. به بیان دیگر، ممریستنس وابسته به بار این قطعه با مربع معکوس ضخامت آن متناسب است. به این ترتیب، میتوان دید که مثلاً در ابعاد نانومتری، شدت رفتار ممریستیو یک قطعه، یک میلیون بار بیشتر از قطعه همانند آن در مقیاس میکرومتری است. این از یک سو بیان میکند که چرا ممریستنس تاکنون به سادگی قابل مشاهدهنبودهاست و از سوی دیگر زنهار میدهد که در بررسی سیستمهای نانوالکتریک، بیتوجهی به پدیده ممریستنس قابل بخشایش و توجیه نیست، زيرا ممکن است ممریستنس قطعه تعیینگر اصلی رفتار آن باشد.
تعاريف اصلي
ممریستور (memristor): مقاومت حافظهدار. قطعه غیرفعالی در مدار که چوا در مقاله ۱۹۷۱ خود پیشبینیاش کرد و اکنون نمودهای فیزیکی آن یافتهشدهاند.
سیستم ممریستیو(a memristive system): سیستمی که خصوصیت کلی مقاومت حافظهدار در آن بروز مییابد. سیستمهای ممریستیو خانواده گستردهتری از پدیدهها را در مقایسه با ممریستورها در برمیگیرند و معادلات دینامیکی توصیفکننده آنها آزادی (و البته پیچیدگی) بیشتری نسبت به ممریستورها دارد. ممریستورها طبعاً حالت یا نمود خاصی از سیستمهای ممریستیو هستند، اما جایی که صحبت از سیستم ممریستیو میشود، اشاره به خانواده بزرگتر این سیستمها است؛ نه فقط به ممریستور. گاهی هم دقیقاً سیستمی را ممریستیو میخوانیم تا آن را از ممریستور معمولی متمایز کنیم.
ممریستنس (memristance): پدیده مقاومت حافظهدار و کمیت متناظر با آن. به شکل خیلی ساده، سیستمهای ممریستیو (و از جمله ممریستور)، ممریستنس دارند. برای نمونه، میتوان از بزرگی و کوچکی مقدار ممریستنس یک قطعه سخن گفت.
چنانکه پیشتر دیدیم، با قطع کردن ولتاژ اعمال شده بر قطعه، مرز میان دو قسمت خالصتر و ناخالصتر دیاکسید تیتانیوم ثابت میماند. مشاهدهکردن همین پدیده، یعنی حرکت کردن جاهای خالی اکسیژن (که مانند یک مجموعه یون هستند) در اثر ولتاژ خارجی، در مقیاسهای میکرومتری و بالاتر از آن دشوار است. چرا؟ چون در واقع پیوند این یونها (جاهای خالی) با میزبانهای خود در ساختار بلوری، چندان هم ضعیف نیست و برای کنده و جاری شدن به نیروی قابل توجهی نیاز دارند. این خود به معنی نیاز به یک میدان الکتریکی قوی درون قطعه است. زيرا میدان الکتریکی برابر با اختلاف پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) تقسیم بر طول است، حتی برقرار کردن یک ولتاژ پایین در دو سر قطعه نانومتری هم باعث ایجاد میدان الکتریکی بزرگی درون آن میشود که برای راندن یونها کافی است.
میتوان از ولتاژ بسیار ضعیفتری برای خواندن میزان مقاومت ممریستور استفاده کرد. طبعاً سیستمهای ممریستیو (و از جمله ممریستور) به جهت ولتاژ اعمالشده حساسند، زيرا ولتاژ در یک جهت باعث پراکندن یونها در ضخامت بیشتری از قطعه میشود و از مقاومت قطعه میکاهد، در حالی که در جهت عکس، یونها را به فضای محدودتری میراند و بر مقاومت قطعه میافزاید. اما درباره ممریستوری که دیدیم، اِعمال کردن ولتاژ مناسب در بازه زمانی کوتاه همان اثری را دارد که ولتاژی ضعیفتر در همان جهت و برای مدتی طولانی میتواند داشتهباشد. هر دو میتوانند بسته به جهتشان و حالت نخستین قطعه، آن را روشن یا خاموش کنند.
حالت دیگری که ممکن است خصوصاً برای استفاده در مدارهای حافظه پایدار مفید باشد، آن است که بتوان شرایط را به گونهای تنظیم کرد که حالت قطعه با هر ولتاژی در درازمدت تغییر نکند. برای نمونه، فرض کنید ممریستور در حالت روشن (مقاومت کمتر) است و به عنوان یکی از میلیونها قطعه در یک مدار حافظه عمل میکند. میخواهیم مطمئن باشیم که اختلاف پتانسیلهای خیلی کم که ممکن است خارج از حیطه کنترل ما باشند، در درازمدت نتوانند حالت این قطعه را برگردانند، تا وقتی که خودمان به دلخواه آن را تغییر دهیم. شکل دیگر بیان این خواسته، آن است که بگوییم میخواهیم ولتاژهای آستانهای برای روشن و خاموش کردن ممریستور وجود داشتهباشند که هر ولتاژی کمتر از آنها باعث از دست رفتن اطلاعات نشود.
یافته دیگر ویلیامز و گروهش آن بود که برای رسیدن به چنین شرایطی، به تغییر دادن ویژگیهای ساختاری ممریستور نیازی نیست، بلکه میتوان از رفتار غیرخطی رانش یونها در اثر ولتاژ خارجی بهره گرفت که اساساً از راه تغییر دادن دامنه یا فرکانس ولتاژ متغیر اعمال شده بر قطعه صورت میپذیرد. در این حالت سويیچ کردن قطعه به میزان بسیار بیشتری بار نیاز دارد و رفتار آن در واقع دودویی (binary) میشود. نمونه شبیهسازیشده این رفتار را در کنار رفتار قطعه واقعی گروه ویلیامز در شکل ۴ میبینید.سیستمهای ممریستیو در آغاز راه ورودشان به دنیای محاسبات هستند. ممریستورها همچنین با شباهتی که در رفتارشان با رفتار نورونها وجود دارد، ممکن است جان تازهای به الکترونیک آنالوگ بدمند. شاید برای هیجانزده شدن کمی زود باشد، اما برای امیدوار بودن قطعاً زود نیست. ممریستور شاید هنوز یک پدیده صنعتی تازه شمرده نشود، اما دانش الکترونیک را برای همیشه تغییر دادهاست.
ارسال توسط کاربر محترم سایت :hasantaleb
یک فیزیکدان در آغاز یک کتاب اپتیک غیرخطی نوشتهبود: «آثار خطی به فیزیک زیبایی میدهند و آثار غیرخطی به آن هیجان میبخشند.» بیمناسبت نیست که یافتن و کنترل کردن پدیده ممریستنس(Memristance) و کارکرد ویژه آن، ممریستور، را نیز در میان هیجانهایی قرار دهیم که از دنیای پیچیده پدیدههای غیرخطی برآمدهاست. چندین دهه از پیدایش صنعت میکروالکترونیک میگذرد و میتوان گفت همه پیشرفت و پیچیدگی گذشته و کنونی این صنعت بر پایه سیستمهای خطی مستقل از زمان بودهاست که با نظریه سیستم LTI توصیف ميشود. هر کدام از ما که با فیزیک دبیرستانی آشنا باشیم، برخی از مهمترین معادلههای الکترونیک خطی را به خوبی میشناسیم: قانون اُهم: V=RI، قانون خازنها:
dq=C.dV و نیز رابطه میان بار و جریان الکتریکی: dq=i.dt. البته، با شکل غیردیفرانسیلی این قانونها آشناتر هستیم: q=C.V و مانند آن. اما سر و کار ما معمولاً با قطعههای «خوشرفتار» است، قطعههایی که واکنش آنها در برابر یک سیگنال ورودی، به سادگی با یک ضریب ثابت معلوم میشود.۳۸ سال پیش استاد جوانی در دانشگاه کالیفرنیا در برکلی از این وضع ناخرسند بود. لئون چوا از یک سو به الکترونیک غیرخطی علاقه داشت و معتقد بود، ناشناختهها و امکانات آن از سوی جامعه آکادمیک و صنعت مورد بیتوجهی قرار گرفتهاند و از سوی دیگر، الکترونیک را به عنوان مجموعهای منسجم و پیوسته (و نه فقط به شکل گردآیهای از ترفندها و قانونهای مفید برای مهندسی) در نظر میآورد.
بگذارید باز هم جملهای را از یک کتاب فیزیک نقل کنم. دیوید گریفیتس جایی در کتاب ذرات بنیادیاش نوشتهاست: «نخستین مرحله در پیشرفت هر دانشی، دستهبندیکردن است.» مندلیف با دستهبندی کردن عنصرها براساس خواص آنها در جدول تناوبی توانست وجود و خواص عناصری نایافته را پیشگوییکند. "مندلیفِ" فیزیک ذرات بنیادی نیز مورِی گِلمان بود که با دستهبندی ذرات بنیادی شناختهشده در راههای هشتگانهاش، توانست راهگشایی مشابهی را سبب شود. دستهبندیکردن معادلههای الکتریسیته و مغناطیس به دست جیمز کلارک ماکسوِل و یافتن قطعه گمشده پازل الکترومغناطیس کلاسیک توسط او نیز یک نمونه زیبای دیگر است. در هر مورد، ذهن درخشانی تلاش کردهاست به معلومات موجود در یک شاخه از دانش نظمی دهد و سپس با یافتن نظام حاکم بر آن، جای خالی یک یا چند عنصر بنیادی در آن نظام مشخصشدهاست. البته، در این میان به جز هوشمندی، جسارت نیز لازم بودهاست. خودتان را جای مندلیف بگذارید و ببینید شهامتش را دارید وجود عنصرهای جدید را پیشگویی کنید؟
کشف شدن ممریستور نیز داستان مشابهی داشتهاست. کاشف فروتن ممریستور را باید لئون چوا دانست. هنگامی که او تکههای نظریه مدار را بر اساس فرض وجود یک نظام کلی در کنار هم نهاد، پی به وجود عنصر چهارم برد، عنصری که از یک سو به خاطر دور از دسترسبودن تجربی آن و از سوی دیگر به خاطر عدم احساس نیاز به آن از سوی جامعه علمی و صنعتی در دهه ۱۹۷۰ و پس از آن، مورد توجه شایستهقرار نگرفت. همگان با عنصرهای خطی غیرفعال (passive) مدار و نیز با دیودها و ترانزیستورها به قدر کافی شاد و راضی بودند و دردسر عنصری غیرخطی که نمود واضحی هم نداشت، چندان ضروری بهنظر نميرسد.
هنگامی که چوا چهار کمیت بنیادی مدار (بار و جریان الکتریکی، اختلاف پتانسیل الکتریکی و شار مغناطیسی) را در رابطه با یکدیگر و نیز در رابطهشان با عنصرهای غيرفعال مدار مورد توجه قرار داد، پی به غیبت عنصر چهارم برد (شکل۱). البته این را نمیشد در آن زمان یک کشف خواند، بلکه بیشتر صورت یک فرضیه را داشت. چوا (مانند مندلیف و گلمان) فرض کردهبود که در این نظام باید تقارن وجود داشتهباشد و این تقارن او را به رابطه میان بار الکتریکی و شار مغناطیسی و نیز به ممریستور رهنمون کرد. از نظر فیزیکی فرضیه او چندان سرراست بهنظر نميرسيد، زيرا معمولاً از بار الکتریکی تا شار مغناطیسی یک مرحله میانی وجود دارد: بار باید به حرکت درآید و به شکل جریان، میدان مغناطیسی را ایجاد کرده یا با میدان مغناطیسی ایستا برهمکنش کند. میان یک بار الکتریکی ساکن و یک میدان مغناطیسی ثابت، برهمکنشی وجود ندارد. پس در همان زمان نیز معلوم بود که ممریستنس باید خاصیتی مربوط به ساز و کار درونی قطعه باشد، شاید هم به خواص مواد سازنده قطعه و ترکیب آنها در ساختار قطعه مربوط بود. از سوی دیگر، ضریبی که میتواند بار الکتریکی را به شار مغناطیسی ربط دهد، باید ابعاد مقاومت الکتریکی را داشتهباشد، یعنی باید از جنس مقاومت باشد.
شكل 1
نمودار جریان بر حسب ولتاژ برای یک ممریستور غیرخطی، به صورت یک منحنی لیساژو است که در فرکانسهای مختلف تغییر شکل میدهد و از یک محدوده فرکانسی به بالا، به خط راست تبدیل میشود. منحنیهای لیساژو شکلهای بستهای هستند که کاربران اسیلوسکوپ به خوبی با آنها آشنایند. یک منحنی لیساژو زمانی به دست میآید که دو نوسان سینوسی عمود بر هم، اختلاف فاز و (احتمالاً) اختلاف فرکانس داشتهباشند. نمودارهای ولتاژ و جریان در یک ممریستور غیرخطی نیز دقیقاً چنین حالتی نسبت به هم دارند: فرکانس یکسان و یک اختلاف فاز ثابت (شکل ۲ را برای یک نمونه شبیهسازیشده ببینید)
شكل 2
اگرچه کار چوا در زمینه توصیف ممریستور در سال ۱۹۷۱ مورد توجه و استقبال قرار نگرفت، اما او به همراه کَنگ، در سال ۱۹۷۶ مفهوم ممریستور را به خانواده فراختری از سیستمهای دینامیکی غیرخطی توسعه دادند و این خانواده کلیتر را سیستمهای ممریستیو (Memristive) نامیدند. برای به دست آوردن ذهنیتی از دینامیک حاکم بر این سیستمها، باز هم قانون اُهم را در نظر آورید، اما این بار ضریبی که جریان را به ولتاژ مربوط میکند، یعنی همان مقاومت غیرخطی، میتواند افزون بر w تابعی از خود جریان و تابعی از زمان نیز باشد. همچنین آهنگ زمانی تغییر w نیز دیگر لزوماً برابر با خود مقاومت نیست، بلکه برابر با تابعی مانند f است که علاوه بر جریان میتواند به w و به زمان نیز وابسته باشد. در چنین سیستمی دیگر با دانستن میزان بار نمیتوان لزوماً شار مغناطیسی را یافت. مقاومتهای عادی و ممریستورها هر دو عضوهای سادهتری از این خانواده بزرگتر دینامیک ممریستیو هستند. چوا و کَنگ نشان دادند که با چنین دینامیکی میتوان منحنی مشخصه جریان-ولتاژ برخی سیستمها مانند پیوند جوزفسون (نوعی پیوند میان دو ابَررسانا با جفتشدگی ضعیف که در فیزیک ماده چگال اهمیت زیادی دارد)، لامپهای نئون و حتی یکی از مدلهای کارکرد نورون (مدل Hodgkin و Huxley) را مدلسازی کرد. با وجود همه اینها، رابطه مستقیمی میان این روابط ریاضی و خصلتهای فیزیکی هیچ سیستم ملموسی در آن زمان پیدا نشد. از این رو، با گذشت تقریباً چهل سال، مفهوم ممریستنس چندان مورد توجه قرار نگرفت تا آن که استنلی ویلیامز و گروهش در آزمايشگاههاي HP توانستند نمونهای از آن را بسازند (مقاله «ممریستور ناپیدا را چگونه یافتیم» در همین پرونده ببینید).
در اینجا خوب است نکتهای را که چوا و ویلیامز هر دو به آن اشاره کردهاند، یادآوری کنيم: هیچ ترکیبی از سه نوع قطعه غيرفعال دیگر در مدار (مقاومت، القاگر و خازن) نمیتواند رفتار ممریستور را بازسازی کند، حتی اگر آن قطعهها رفتار غیرخطی هم داشتهباشند. چوا این اصل را در یکی از مقالههای خود در دهه ۱۹۷۰ ثابت کرد. اهمیت این نکته در آن است که حتی اگر جامعه الکترونیک به این نتیجه رسید که ممریستور قطعه چندان مفيدي نیست و دنیا با همان سه قطعه سنتی پیشین زیباتر است، نمیتوان منکر بنیادی بودن آن در نظریه مدار شد. به بیان دیگر، هنگام معرفیکردن قطعههای مدار در کتابهای درسی و نیز در صنعت، نمیتوان از ممریستور نام نبرد. تنها میتوان گفت آن را مفید نمیدانیم یا هنوز شیوه خوبی برای بهرهگیری از آن در مدارها نیافتهایم. از این رو است که میبینیم یابندگان ممریستور از حدود یک سال پیش که نخستین نمونه تجربی آن را ارائه کردند، تلاش خود را بیشتر بر آن گذاردند که شیوههای استفاده از آن را در مدارها و ساختارهای محاسباتی مختلف نشان دهند. البته، نمونههای تجربی دیگری از ممریستور نیز از آن زمان تاکنون ارائه شدهاند که برخی از آنها از مواد مغناطیسی هم استفاده میکنند
مدل سادهای از سیستم ممریستیوی را که ویلیامز و گروهش ساختند، در شکل ۳ میبینید. ساختمان ساده این قطعه از دو لایه دیاکسید تیتانیوم تشکیل شده که میان دو الکترود پلاتینیومی قرار گرفتهاند. مبنای کار این قطعه، جابهجایی مرز میان دو قسمت مختلف دیاکسید تیتانیوم است: قسمتی که اساساً خالص است و قسمت مجاور آن که ناخالصی دارد. شکل ناخالصی هم در این قطعه بسیار ساده است و برخلاف بیشتر نمونههای ناخالصی در قطعههای نیمرسانا که شامل مادهای خارجی هستند، در این قطعه ناخالصی به سادگی کمبود تعدادی از اتمهای اکسیژن است. در ساختار بلوری دیاکسید تیتانیوم، این جایگاههای خالی تا حدی امکان جابهجایی دارند. قسمتی که این ناخالصی را دارد، رساناتر از قسمت خالص(تر) است، زيرا الکترونها میتوانند میان این جاهای خالی حرکت کنند. اما در ضمن امکان جابهجایی این جایگاههای خالی محدود است، به این معنی که در نبود یک ولتاژ خارجی، کم و بیش ثابت هستند. همین خاصیت باعث میشود که این قطعه مانند یک رئوستا یا مقاومت متغیر عمل کند که در آن، تغییر مقاومت در اثر خود ولتاژی که به قطعه اعمال ميشود، ایجاد میشود. ساختن چنین سیستمی با استفاده از تعدادی اجزای فعال و غیرفعال مدار ممکن است، اما این که خود یک قطعه به تنهایی چنین خاصیتی داشتهباشد، کشف نوینی است. متغیر مستقل w که پیشتر دربارهاش گفتیم، در اینجا ضخامت همان لایه دارای ناخالصی است (انتخاب کردن ضخامت لایه خالصتر به عنوان w هم اساساً تفاوتی در مسئله ایجاد نمیکند، زيرا مجموع ضخامت این دو لایه ثابت و برابر با D است). پس مقاومت کل این قطعه برابر با مجموع مقاومت لایه خالصتر (Roff) و مقاومت لایه ناخالصتر (Ron) است که به طور سری قرار دارند.
شكل 3
در سادهترین حالت که مقاومت هر دو لایه دیاکسید تیتانیوم تابع قانون اُهم باشد و رانش جاهای خالی اکسیژن در آنها نیز تابعی خطی از میدان یکنواخت درون قطعه باشد، میتوان معادلات سیستم ممریستیو را حل کرد که آهنگ تغییر w و نیز رابطه میان ولتاژ و جریان را به دست میدهند. در این حالت، w تابعی خطی از q (بار الکتریکی) خواهدبود که اساساً همان ممریستور را توصیف میکند، یعنی در این حالت ساده، سیستم به یک ممریستور تبدیل شدهاست.
سرانجام، میتوان رابطهای ساده برای ممریستنس سیستم برحسب پارامترهای ثابت قطعه و میزان بار درون آن به دست آورد. نکته مهم آن است که در این رابطه نهایی میبینیم مجموع ضخامت دو قطعه دیاکسید تیتانیوم (D) با توان دو در مخرج کسر جمله وابسته به بار ظاهر میشود. به بیان دیگر، ممریستنس وابسته به بار این قطعه با مربع معکوس ضخامت آن متناسب است. به این ترتیب، میتوان دید که مثلاً در ابعاد نانومتری، شدت رفتار ممریستیو یک قطعه، یک میلیون بار بیشتر از قطعه همانند آن در مقیاس میکرومتری است. این از یک سو بیان میکند که چرا ممریستنس تاکنون به سادگی قابل مشاهدهنبودهاست و از سوی دیگر زنهار میدهد که در بررسی سیستمهای نانوالکتریک، بیتوجهی به پدیده ممریستنس قابل بخشایش و توجیه نیست، زيرا ممکن است ممریستنس قطعه تعیینگر اصلی رفتار آن باشد.
تعاريف اصلي
ممریستور (memristor): مقاومت حافظهدار. قطعه غیرفعالی در مدار که چوا در مقاله ۱۹۷۱ خود پیشبینیاش کرد و اکنون نمودهای فیزیکی آن یافتهشدهاند.
سیستم ممریستیو(a memristive system): سیستمی که خصوصیت کلی مقاومت حافظهدار در آن بروز مییابد. سیستمهای ممریستیو خانواده گستردهتری از پدیدهها را در مقایسه با ممریستورها در برمیگیرند و معادلات دینامیکی توصیفکننده آنها آزادی (و البته پیچیدگی) بیشتری نسبت به ممریستورها دارد. ممریستورها طبعاً حالت یا نمود خاصی از سیستمهای ممریستیو هستند، اما جایی که صحبت از سیستم ممریستیو میشود، اشاره به خانواده بزرگتر این سیستمها است؛ نه فقط به ممریستور. گاهی هم دقیقاً سیستمی را ممریستیو میخوانیم تا آن را از ممریستور معمولی متمایز کنیم.
ممریستنس (memristance): پدیده مقاومت حافظهدار و کمیت متناظر با آن. به شکل خیلی ساده، سیستمهای ممریستیو (و از جمله ممریستور)، ممریستنس دارند. برای نمونه، میتوان از بزرگی و کوچکی مقدار ممریستنس یک قطعه سخن گفت.
چنانکه پیشتر دیدیم، با قطع کردن ولتاژ اعمال شده بر قطعه، مرز میان دو قسمت خالصتر و ناخالصتر دیاکسید تیتانیوم ثابت میماند. مشاهدهکردن همین پدیده، یعنی حرکت کردن جاهای خالی اکسیژن (که مانند یک مجموعه یون هستند) در اثر ولتاژ خارجی، در مقیاسهای میکرومتری و بالاتر از آن دشوار است. چرا؟ چون در واقع پیوند این یونها (جاهای خالی) با میزبانهای خود در ساختار بلوری، چندان هم ضعیف نیست و برای کنده و جاری شدن به نیروی قابل توجهی نیاز دارند. این خود به معنی نیاز به یک میدان الکتریکی قوی درون قطعه است. زيرا میدان الکتریکی برابر با اختلاف پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) تقسیم بر طول است، حتی برقرار کردن یک ولتاژ پایین در دو سر قطعه نانومتری هم باعث ایجاد میدان الکتریکی بزرگی درون آن میشود که برای راندن یونها کافی است.
میتوان از ولتاژ بسیار ضعیفتری برای خواندن میزان مقاومت ممریستور استفاده کرد. طبعاً سیستمهای ممریستیو (و از جمله ممریستور) به جهت ولتاژ اعمالشده حساسند، زيرا ولتاژ در یک جهت باعث پراکندن یونها در ضخامت بیشتری از قطعه میشود و از مقاومت قطعه میکاهد، در حالی که در جهت عکس، یونها را به فضای محدودتری میراند و بر مقاومت قطعه میافزاید. اما درباره ممریستوری که دیدیم، اِعمال کردن ولتاژ مناسب در بازه زمانی کوتاه همان اثری را دارد که ولتاژی ضعیفتر در همان جهت و برای مدتی طولانی میتواند داشتهباشد. هر دو میتوانند بسته به جهتشان و حالت نخستین قطعه، آن را روشن یا خاموش کنند.
حالت دیگری که ممکن است خصوصاً برای استفاده در مدارهای حافظه پایدار مفید باشد، آن است که بتوان شرایط را به گونهای تنظیم کرد که حالت قطعه با هر ولتاژی در درازمدت تغییر نکند. برای نمونه، فرض کنید ممریستور در حالت روشن (مقاومت کمتر) است و به عنوان یکی از میلیونها قطعه در یک مدار حافظه عمل میکند. میخواهیم مطمئن باشیم که اختلاف پتانسیلهای خیلی کم که ممکن است خارج از حیطه کنترل ما باشند، در درازمدت نتوانند حالت این قطعه را برگردانند، تا وقتی که خودمان به دلخواه آن را تغییر دهیم. شکل دیگر بیان این خواسته، آن است که بگوییم میخواهیم ولتاژهای آستانهای برای روشن و خاموش کردن ممریستور وجود داشتهباشند که هر ولتاژی کمتر از آنها باعث از دست رفتن اطلاعات نشود.
یافته دیگر ویلیامز و گروهش آن بود که برای رسیدن به چنین شرایطی، به تغییر دادن ویژگیهای ساختاری ممریستور نیازی نیست، بلکه میتوان از رفتار غیرخطی رانش یونها در اثر ولتاژ خارجی بهره گرفت که اساساً از راه تغییر دادن دامنه یا فرکانس ولتاژ متغیر اعمال شده بر قطعه صورت میپذیرد. در این حالت سويیچ کردن قطعه به میزان بسیار بیشتری بار نیاز دارد و رفتار آن در واقع دودویی (binary) میشود. نمونه شبیهسازیشده این رفتار را در کنار رفتار قطعه واقعی گروه ویلیامز در شکل ۴ میبینید.سیستمهای ممریستیو در آغاز راه ورودشان به دنیای محاسبات هستند. ممریستورها همچنین با شباهتی که در رفتارشان با رفتار نورونها وجود دارد، ممکن است جان تازهای به الکترونیک آنالوگ بدمند. شاید برای هیجانزده شدن کمی زود باشد، اما برای امیدوار بودن قطعاً زود نیست. ممریستور شاید هنوز یک پدیده صنعتی تازه شمرده نشود، اما دانش الکترونیک را برای همیشه تغییر دادهاست.
شكل 4
ارسال توسط کاربر محترم سایت :hasantaleb
/ج