Специалистам исследовательской лаборатории Hewlett-Packard удалось создать так называемый мемристор (от английского Memory Resistor) - четвертый базовый элемент схемотехники.

Возможность существования мемристора была предсказана еще в 1971 году профессором Леоном Чуа, однако на практике получить прототип мемристора до сегодняшнего дня не удавалось. Мемристор должен стать четвертым пассивным элементом микросхем (после резистора, конденсатора и катушки индуктивности).

Четыре величины могут быть связаны шестью попарными соотношениями – так в квадрате можно провести четыре стороны и две диагонали.
[346x235]
Соотношения между 4 фундаментальными электрическими величинами - зарядом (Q), напряжением (U), магнитными потоком (Ф) и электрическим током (I). Связи между величинами обеспечиваются сопротивлением R, индуктивностью L, и ёмкотью C двухконтактных элементов. Диагонали квадрата представляют собой интегральные преобразования без коэффициентов (в системе СИ). До сих пор верхняя сторона у квадрата реализована не была.

Такие соотношения в электротехнике имеются. Известно, что резистор отвечает за падение напряжения в ответ на силу тока, емкость конденсатора связывает заряд на его обкладках и напряжение между ними, индуктивность определяет соотношение между изменениями силы электрического тока и магнитного потока. Существуют еще два уравнения, связывающие заряд с током, а магнитный поток – с напряжением. Здесь нужен интеграл по времени, однако удаётся обойтись без коэффициентов.

Для логической завершенности этой системе из пяти уравнений не хватало шестого, напрямую связывающего изменения заряда и магнитного потока.

Ключевой особенностью мемристоров является гистерезис. Реакция такого элемента на воздействие зависит от сил, действовавших ранее, то есть, состояние системы определяется ее собственной историей. Ток, проходящий через мемристор, приводит к изменению его атомной структуры, в результате чего сопротивление элемента меняется в тысячу или более раз. Таким образом, путем приложения тока можно осуществлять переключение элемента между двумя состояниями и, соответственно, использовать мемристор в качестве элементарной ячейки памяти.

Мемристивные системы до сих пор использовали совершенно разные научные группы только как математические абстракции для моделирования процессов обработки сигнала, поведения нелинейных полупроводниковых систем, электрохимических процессов и даже для моделирования работы нейронов головного мозга человека. Однако на практике эффект мемристивности (зависимость сопротивления от заряда, пропущенного через элемент) так и не был реализован, так как имел очень маленькие значения для различных микроэлектронных систем. Все изменилось с приходом наноразмерных объектов.

Свою концепцию мемристивности ученые реализовали на наноразмерной электрохимической ячейке платина – оксид титана – платина. Соотношение объема полупроводникового оксидного материала к его площади, покрытой платиновыми электродами, позволяло вызывать смещение кислородных вакансий в кристаллической решетке оксида титана к одному из электродов при приложении к платиновым обкладкам разности потенциалов. Благодаря этому эффекту у элемента и возникал пресловутый гистерезис вольтамперной характеристики.

Подобный гистерезис ВАХ наблюдался часто во многих электрохимических системах, где имеет место ионный перенос заряда. Однако систематическая экспериментальная работа Струкова и его коллег позволяет теперь довольно просто объяснить ряд других загадочных явлений, сопровождающих в наши дни развитие наноэлектроники. Это множественные состояния проводимости вместо двух – проводящего и непроводящего, отрицательное дифференциальное сопротивление, приводящее к уменьшению электрического тока через наноразмерный элемент при увеличении прилагаемого напряжения, и многое другое.

По сравнению с современными типами памяти мемристоры будут обладать рядом важных достоинств. Они являются энергонезависимыми и обладают высоким быстродействием. Благодаря этому запоминающие устройства на основе мемристоров теоретически позволят заменить широко распространенную сейчас флэш-память и память DRAM. В результате, компьютеры смогут загружаться практически мгновенно, поскольку им не придется считывать информацию с "медленных" жестких дисков. В случае с ноутбуками, мемристоры позволят сохранять состояние даже после полного разряда аккумулятора. Кроме того, мемеристоры помогут продлить время автономной работы портативных устройств.

Исследователи отмечают, что по мере уменьшения размеров характеристики мемристоров будут улучшаться. Кроме того, комбинация из двух мемристоров может заменить транзистор. Появление нового типа элементов, по мнению ученых, позволит производителям и дальше следовать знаменитому эмпирическому закону Мура