Um memristor (; um portmanteau de memory resistor) é um componente elétrico de dois terminais não linear que relaciona carga elétrica e fluxo magnético. Foi descrito e nomeado em 1971 por Leon Chua, completando um quarteto teórico de componentes elétricos fundamentais que também compreende o resistor, o capacitor e o indutor.
Chua e Kang mais tarde generalizaram o conceito para sistemas memristivos. Tal sistema compreende um circuito, com múltiplos componentes convencionais, que imita propriedades-chave do componente memristor ideal e também é comumente referido como memristor. Diversas tecnologias de sistemas memristivos foram desenvolvidas, notadamente a ReRAM.
A identificação de propriedades memristivas em dispositivos eletrônicos tem gerado controvérsia. Experimentalmente, o memristor ideal ainda não foi demonstrado.
Como um componente elétrico fundamental
Chua, em seu artigo de 1971, identificou uma simetria teórica entre o resistor não linear (tensão vs. corrente), o capacitor não linear (tensão vs. carga) e o indutor não linear (fluxo magnético vs. corrente). A partir dessa simetria, ele inferiu as características de um quarto elemento de circuito fundamental não linear, ligando fluxo magnético e carga, que chamou de memristor. Em contraste com um resistor linear (ou não linear), o memristor tem uma relação dinâmica entre corrente e tensão, incluindo uma memória de tensões ou correntes passadas. Outros cientistas propuseram resistores de memória dinâmica, como o memistor de Bernard Widrow, mas Chua introduziu uma generalidade matemática.
Derivação e características O memristor foi originalmente definido em termos de uma relação funcional não linear entre o fluxo magnético e a quantidade de carga elétrica que fluiu, :
O enlace de fluxo magnético, , é generalizado a partir da característica de circuito de um indutor. Ele representa um campo magnético aqui. Seu significado físico é discutido abaixo. O símbolo pode ser considerado como a integral da tensão no tempo.
Na relação entre e , a derivada de um em relação ao outro depende do valor de um ou do outro, e assim cada memristor é caracterizado por sua função memristância descrevendo a taxa de variação dependente da carga do fluxo com a carga:
Substituindo o fluxo como a integral de tempo da tensão, e a carga como a integral de tempo da corrente, as formas mais convenientes são:
Para relacionar o memristor ao resistor, capacitor e indutor, é útil isolar o termo , que caracteriza o dispositivo, e escrevê-lo como uma equação diferencial.
+ Relações de equações diferenciais entre resistência, capacitância, indutância e memristância Dispositivo Símbolo Propriedade característica Unidades Razão unitária (V, A, C, Wb) Equação diferencial Resistor Resistência ohm () volts por ampere () Capacitor Capacitância farad () coulombs por volt () Indutor Indutância henry () webers por ampere () Memristor Memristância ohm () webers por coulomb ()
A tabela acima cobre todas as razões significativas de diferenciais de , , e . Nenhum dispositivo pode relacionar com , ou com , porque é a derivada temporal de e é a derivada temporal de .
Pode-se inferir disso que a memristância é uma resistência dependente da carga. Se é uma função constante (isto é, tem o mesmo valor para todo ), então obtemos a lei de Ohm: . Se é não trivial, no entanto, a equação não é equivalente porque e portanto variam com o tempo. Resolvendo para a tensão como uma função do tempo produz
Esta equação revela que a memristância define uma relação linear entre corrente e tensão, desde que não varie com a carga. Corrente não nula implica carga variável no tempo. A corrente alternada, no entanto, pode revelar a dependência linear na operação do circuito, induzindo uma tensão mensurável sem movimento líquido de carga — desde que o valor máximo de não cause muita mudança em em comparação com o valor inicial .
Além disso, o memristor tem uma memristância constante se nenhuma corrente for aplicada. Se , é constante devido a ser constante. Esta é a essência do efeito de memória.
Analogamente, podemos definir uma como memdutância (portmanteau de memória e condutância):
A memdutância em relação ao fluxo é o inverso da memristância em relação à carga, ou seja,
e portanto a unidade de memdutância é a mesma que a unidade de condutância – Siemens.
A característica de consumo de energia lembra a de um resistor, :
Enquanto varia pouco, como sob corrente alternada, o memristor aparecerá como um resistor constante. Se aumenta rapidamente, no entanto, a corrente e o consumo de energia cessarão rapidamente.
é fisicamente restrito a ser positivo para todos os valores de (assumindo que o dispositivo é passivo e não se torna supercondutivo em algum ). Um valor negativo para alguma carga implica que ele atua como uma fonte de energia neste nível de carga. Um valor negativo para todas as cargas significaria que ele forneceria energia perpetuamente quando operado com corrente alternada.
Modelagem e validação Para entender a natureza da função memristor, alguns conhecimentos de conceitos teóricos de circuitos são úteis, começando com o conceito de modelagem de dispositivos.
Engenheiros e cientistas raramente analisam um sistema físico em sua forma original. Em vez disso, eles constroem um modelo que aproxima o comportamento do sistema. Ao analisar o comportamento do modelo, eles esperam prever o comportamento do sistema real. A principal razão para construir modelos é que os sistemas físicos são geralmente complexos demais para serem passíveis de uma análise prática.
No século XX, foi realizado trabalho em dispositivos onde os pesquisadores não reconheceram as características memristivas. Isso levantou a sugestão de que tais dispositivos deveriam ser reconhecidos como memristores. Pershin e Di Ventra propuseram um teste que pode ajudar a resolver algumas das controvérsias de longa data sobre se um memristor ideal realmente existe ou é um conceito puramente matemático.
O restante deste artigo aborda principalmente memristores relacionados a dispositivos ReRAM, uma vez que a maioria dos trabalhos desde 2008 tem se concentrado nesta área.
Componente memristor supercondutor O Dr. Paul Penfield, em um relatório técnico do MIT de 1974, menciona o memristor em conexão com junções Josephson. Este foi um uso inicial da palavra memristor no contexto de um dispositivo de circuito.
Um dos termos na corrente através de uma junção Josephson é da forma:
onde é uma constante baseada nos materiais supercondutores físicos, é a tensão na junção e é a corrente através da junção.
Durante o final do século XX, pesquisas sobre essa condutância dependente de fase em junções Josephson foram realizadas. Uma abordagem mais abrangente para extrair essa condutância dependente de fase apareceu com o artigo seminal de Peotta e Di Ventra em 2014.
Circuitos memristivos Devido à dificuldade prática de estudar o memristor ideal, discutiremos outros dispositivos elétricos que podem ser modelados usando memristores. Para uma descrição matemática de um dispositivo memristivo (sistemas), veja .
Um tubo de descarga pode ser modelado como um dispositivo memristivo, com a resistência sendo uma função do número de elétrons de condução .
é a tensão no tubo de descarga, é a corrente que flui através dele, e é o número de elétrons de condução. Uma função memristância simples é . Os parâmetros , e dependem das dimensões do tubo e dos gases de enchimento. Uma identificação experimental do comportamento memristivo é o loop de histerese pinçado no plano -.
Termistores podem ser modelados como dispositivos memristivos:
é uma constante do material, é a temperatura absoluta do termistor, é a temperatura ambiente (ambas em Kelvin), denota a resistência a frio em , é a capacitância térmica e é a constante de dissipação para o termistor.
Um fenômeno fundamental que tem sido pouco estudado é o comportamento memristivo em junções p-n. O memristor desempenha um papel crucial na imitação do efeito de armazenamento de carga na base do diodo e também é responsável pelo fenômeno de modulação de condutividade (que é tão importante durante transitórios diretos).
Críticas Em 2008, uma equipe do HP Labs encontrou evidências experimentais para o memristor de Chua com base em uma análise de uma película fina de dióxido de titânio, conectando assim a operação de dispositivos ReRAM ao conceito de memristor. De acordo com o HP Labs, o memristor operaria da seguinte maneira: a resistência elétrica do memristor não é constante, mas depende da corrente que fluiu anteriormente através do dispositivo, ou seja, sua resistência atual depende de quanta carga elétrica fluiu anteriormente através dele e em que direção; o dispositivo lembra sua história — a chamada . Quando a fonte de alimentação elétrica é desligada, o memristor lembra sua resistência mais recente até ser ligado novamente.
O resultado do HP Labs foi publicado no periódico científico Nature. Chua argumentou que a definição de memristor poderia ser generalizada para cobrir todas as formas de dispositivos de memória não volátil de dois terminais baseados em efeitos de comutação de resistência. Chua também argumentou que o memristor é o elemento de circuito mais antigo conhecido, com seus efeitos anteriores ao resistor, capacitor e indutor. No entanto, há dúvidas sobre se um memristor pode realmente existir. Além disso, algumas evidências experimentais contradizem a generalização de Chua, pois um efeito de nanobateria não passiva é observável na memória de comutação de resistência. Um teste simples foi proposto por Pershin e Di Ventra para analisar se tal memristor ideal ou genérico realmente existe ou é um conceito puramente matemático. Até agora, parece não haver nenhum dispositivo experimental de comutação de resistência (ReRAM) que possa passar no teste.
Esses dispositivos são destinados a aplicações em dispositivos de memória nanoeletrônica, lógica de computador e arquiteturas de computador neuromórficas/neuromemristivas. Em 2013, o CTO da Hewlett-Packard, Martin Fink, sugeriu que a memória memristor poderia se tornar comercialmente disponível já em 2018. Em março de 2012, uma equipe de pesquisadores do HRL Laboratories e da Universidade de Michigan anunciou a primeira matriz de memristores funcional construída em um chip CMOS.
De acordo com a definição original de 1971, o memristor é o quarto elemento de circuito fundamental, formando uma relação não linear entre carga elétrica e fluxo magnético. Em 2011, Chua argumentou por uma definição mais ampla que inclui todos os dispositivos de memória não volátil de dois terminais baseados em comutação de resistência. Williams argumentou que MRAM, memória de mudança de fase e ReRAM são tecnologias memristoras. Alguns pesquisadores argumentaram que estruturas biológicas como sangue e pele se enquadram na definição. Outros argumentaram que o dispositivo de memória em desenvolvimento pelo HP Labs e outras formas de ReRAM não são memristores, mas sim parte de uma classe mais ampla de sistemas de resistência variável, e que uma definição mais ampla de memristor é uma apropriação de terras cientificamente injustificável que favorecia as patentes de memristor da HP.
Em 2011, Meuffels e Schroeder notaram que um dos primeiros artigos sobre memristores incluía uma suposição errônea sobre condução iônica. Em 2012, Meuffels e Soni discutiram algumas questões e problemas fundamentais na realização de memristores. Eles indicaram inadequações na modelagem eletroquímica apresentada no artigo da Nature "The missing memristor found" porque o impacto dos efeitos de polarização de concentração no comportamento de estruturas metal−TiO2−x−metal sob estresse de tensão ou corrente não foi considerado.