Memristor – der denkende Widerstand

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Sie schalten, speichern und verbrauchen extrem wenig Strom. Da sie sich aber auch wie Synapsen verhalten, hat der Hype um neuronale Netze die mysteriösen Memristoren wieder an die Öffentlichkeit gespült.

Das Prinzip des exotischen „Widerstandes mit Gedächtnis“ ist alt. In den 1960er-Jahren arbeitete der Berkley-Professor Leon O. Chua an einer Theorie für passive Bauelemente. Widerstand, Kondensator und Spule waren ihm jedoch nicht genug. Es fehlte ihm ein Bauteil, dessen Widerstand sich aus der Ladungs-und magnetischen Flussänderung ergeben sollte.

Schließlich veröffentlichte er 1971 eine wissenschaftliche Arbeit, in der er mit dem Memristor das vierte passive Element vorhersagte. Eine schöne Theorie, die aber schnell in der Schublade verschwand, weil niemand das „Ding“ herstellen konnte. Und wäre nicht zufällig ein Mitarbeiter von Hewlett Packard (HP) an der „Schublade“ vorbeigekommen, niemand hätte womöglich jemals von dem geheimnisvollen Bauelement gehört.

Geheimnisvoller Memristor

Dabei ist ein Memristor erst einmal nur ein Widerstand, der allerdings von Stromfluss und Stromrichtung abhängt. Der Widerstandwert lässt sich also durch das Ändern der angelegten Spannung kontinuierlich verstellen. Und im stromlosen Zustand wird der letzte elektrische Zustand (Widerstandswert) beibehalten, also gemerkt. Daher der Begriff „Mem(ory)R(es)istor“. Professor Chua hatte allerdings schon damals erkannt, dass das gesuchte elektrische Bauteil auch große Ähnlichkeit mit der Funktion der Synapsen unseres Gehirns aufwies.

Memristor HP
Der Memristor von HP besteht aus zwei, wenige Atome dünne Schichten Titandioxid (TiO2). Eine Schicht hat dabei weniger Sauerstoffatome, als die andere und leitet deshalb besser. Je nach angelegter Spannung verschieben sich die Sauerstoffatome und der Widerstandswert ändert sich. (Bild: Hewlett-Packard).

Bei HP sollten die exotischen Widerstände aber erst einmal Flash- und DRAM-Speicher ersetzen. Hohe Packungsdichten und geringe Stromaufnahme versprachen eine Goldgrube. So unternahm HP nicht wenige Anstrengungen, um schnell erste Prototypen von Memristoren zu entwickeln, was auch 2007 gelang.

Da Memristoren in Bereichen, bei denen keine Verstärkung benötigt wird, auch Transistoren ersetzen können, arbeitete man parallel an einer vollkommen neuen Computer-Architektur. Speicher und CPU auf einem Chip vereinigt sollten dabei die Verarbeitungsgeschwindigkeit enorm erhöhen. Der weltweit erste Memristor, eingebettet in einen Microcomputer, kam dann allerdings 2013 von Panasonic.

Bei HP sollte letztes Jahr eine Kooperation mit dem Flash-Speicherhersteller SanDisk Corp. der zähen Memristor-Geschichte einen neuerlichen Schub verleihen. Aber wie das halt so ist: SanDisk wurde in der Zwischenzeit von Western Digital übernommen und Hewlett Packard steckt in Umstrukturierungsmaßnahmen. Das kann also noch dauern.

Erster kommerzieller Chip vom Start-up

Frischer Memristor-Wind kam dagegen wie so häufig von einem Start-up. Im Online-Shop von Knowm konnten Forscher schon letztes Jahr für 220 US-Dollar einen Chip mit acht Memristoren kaufen und damit Algorithmen etwa zum Maschinenlernen implementieren.

Das „AhaH“- Konzept (Anti-Hebbian and Hebbian) des „Nature Transistors“, wie Knowm ihn nennt, folgt dabei den bekannten Hebbschen Lernregeln zur Verbindung von Neuronen, die gemeinsame Synapsen haben. Unter anderem besagen sie, dass Neuronen, die häufig gleichzeitig miteinander aktiv sind, auch in Zukunft eher miteinander interagieren werden („what fires together, wires together“).

Die Memristor-Technik von Knowm unterscheidet sich vom HP-Ansatz, soll aber laut EE Times vom „Memristor-Papst“ Leon Chua abgesegnet worden sein.

Der ist jetzt in Deutschland aufgetaucht, wo er im wissenschaftlichen Beirat des nach ihm benannten Chua Memristor Center (CMC) in Dresden sitzt. Das neue Netzwerk will hierzulande Forscher unterschiedlicher Disziplinen aus Industrie und Wissenschaft zusammenbringen, um die wissenschaftlichen Grundlagen des Memristors weiter zu ergründen und endlich auch die industrielle Anwendung zu ermöglichen.

Fast schließt sich nach 45 Jahren damit so etwas wie ein Kreis. Oder wie Victor Hugo sagte: „Nichts ist mächtiger als eine Idee, deren Zeit gekommen ist.“

 

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Memristor-Bild-NaMLab-gGmbH