Различия между Нейристором и Мемристором
Хотя термины мемристор и нейристор часто используются в контексте нейроморфных вычислений, они обозначают разные концепции в электронике:
История создания первого мемристора
Концепция мемристора (англ. memristor, от memory resistor — резистор с памятью) — четвёртого фундаментального пассивного элемента электрических цепей — была впервые теоретически постулирована профессором Леоном Чуа (Leon O. Chua) из Калифорнийского университета в Беркли в 1971 году. В течение многих десятилетий он оставался лишь гипотетическим звеном в теории цепей, пока не был физически реализован.
Теоретическое предсказание (1971)
В своей новаторской работе «Memristor – the missing circuit element» 1971 года Леон Чуа показал, что существует фундаментальная связь между четырьмя базовыми переменными электрической цепи: током (I), напряжением (V), зарядом (Q) и потокосцеплением (\Phi).
Он обнаружил, что если резистор, конденсатор и индуктор описывают три базовые взаимосвязи между этими переменными, то для завершения симметрии необходим элемент, связывающий заряд и потокосцепление. Этот элемент, получивший название мемристор, был определен как двухполюсное устройство, сопротивление которого зависит от всего электрического заряда, прошедшего через него.
Главное, что отличало мемристор, это его способность «запоминать» своё последнее состояние сопротивления (или «мемристорность») даже после отключения питания, что является ключевым свойством для создания энергонезависимой памяти и, что особенно важно, для имитации биологических функций мозга.
Поиски и физическая реализация (2008)
После теоретического предсказания учёные долгие годы пытались создать работающее физическое устройство. Различные устройства демонстрировали схожее поведение переключения сопротивления в течение десятилетий, однако они не были однозначно классифицированы как физическое воплощение теоретически предсказанного Чуа мемристора.
Ключевой прорыв произошел в 2008 году, когда команда исследователей из Hewlett-Packard (HP) Labs под руководством Стэнли Уильямса (R. Stanley Williams) (включая Дмитрия Струкова) объявила о создании первого рабочего, полностью функционального мемристора.
Материал и структура: устройство было основано на тонкой плёнке диоксида титана (TiO_2), зажатой между двумя платиновыми электродами. Плёнка состояла из двух слоев: один был непроводящим, а второй был легирован кислородными вакансиями (свободными местами в кристаллической решётке), которые действовали как носители заряда.
Механизм работы: при приложении напряжения кислородные вакансии мигрировали, изменяя соотношение толщины проводящего и непроводящего слоёв. Это, в свою очередь, плавно изменяло общее электрическое сопротивление устройства.
Значение: это наноразмерное устройство демонстрировало предсказанное Чуа «зависимое от истории» переключение сопротивления, тем самым подтвердив его теоретическое предсказание 37-летней давности.
Это открытие превратило мемристор из математической абстракции в реальный электронный компонент и положило начало эре активного развития нейроморфных вычислений.
Роль мемристора в создании нейристоров
Как было сказано, мемристор сам по себе — это синапс. Однако его уникальные свойства сделали его идеальным строительным блоком для создания нейристора (искусственного нейрона):
Имитация синаптической пластичности: способность мемристора плавно и энергонезависимо изменять свое сопротивление под действием тока является прямым аналогом синаптической пластичности в биологическом мозге, где связи (синапсы) между нейронами укрепляются или ослабляются в процессе обучения.
Энергоэффективность: мемристоры потребляют крайне мало энергии по сравнению с традиционной CMOS-логикой, что критически важно для создания систем, сопоставимых по эффективности с мозгом.
После 2008 года множество исследовательских групп по всему миру, включая HP, начали использовать схемы на основе мемристоров, транзисторов и конденсаторов для построения функциональных нейристоров (электронных нейронов), способных выполнять логические операции и формировать основу для нейроморфных компьютеров — машин, предназначенных для обработки информации способом, аналогичным человеческому мозгу. Таким образом, хотя первый мемристор был создан в 2008 году, именно он стал технологической основой для реализации первого поколения нейристоров.