Memorias flash rápidas basadas en un memristor nanotecnológico

17 memristores formados al cruzar nanohilos de 50 nanómetros de grosor (C) Jianhua Yang, HP Labs.
17 memristores formados al cruzar nanohilos de 50 nanómetros de grosor (C) Jianhua Yang, HP Labs.

dibujo20090503_circuit_symbols1El genial Leon O. Chua intuyó en 1971 que faltaba un elemento pasivo para circuitos eléctricos más allá de la resistencia, el condensador y la inductancia. Le llamó memristor (“memory resistor”). Propuso su circuito equivalente con elementos activos pero hasta 2008 no se logró fabricar como elemento pasivo mediante nanotecnología (uno de los 10 avances tecnológicos más importantes del año). El artículo técnico fue Dmitri B. Strukov, Gregory S. Snider, Duncan R. Stewart, R. Stanley Williams (HP Labs), “The missing memristor found,” Nature 453: 80-83, 1 May 2008 . El memristor presenta una histéresis en su curva V/I (tensión corriente) que ha sido observada en el nanodispositivo fabricado en los HP Labs, aunque todavía nadie entiende la nanofísica que explica dicho fenómeno.

Leon O. Chua y sus colaboradores introdujeron (teóricamente) hace sólo unos meses unos nuevos dispositivos con memoria, el memcondensador y la meminductancia, dispositivos pasivos cuyo comportamiento es histérico y depende se su historia pasada. ¿Se encontrarán realizaciones nanotecnológicas de estos nuevos dispositivos algún día? Nadie lo sabe aún. El artículo/preprint es Massimiliano Di Ventra, Yuriy V. Pershin, Leon O. Chua, “Circuit elements with memory: memristors, memcapacitors and meminductors,” ArXiv, Submitted on 23 Jan. 2009 .

¿Para qué sirven los memristores? Aunque pueda parecer “cacofónico” para desarrollar nuevas memorias de estado de sólido: memorias RAM resistivas (RRAM o resistive random-access memory) que si bien no son tan rápidas como las memorias RAM más rápidas si son más rápidas que las memorias Flash de nuestros lápices de memoria (que pronto sustituirán a todos los discos duros magnéticos). Este enorme mercado llevará a los memristores a la calle en poco tiempo. Nos lo contó R. Colin Johnson, “Memristors ready for prime time,” EE Times, 8 July 2008 . Estas estructuras se pueden implementar fácilmente en 3 dimensiones (por ahora sólo varios capas superpuestas) lo que incrementa mucho la densidad de integración y la capacidad de las RRAM. También nos lo contó R. Colin Johnson, “3-D memristor chip debuts,” EE Times, 26 Nov. 2008 , haciéndose eco de una conferencia sobre memresistencia y memresistores organizada por los HP Labs, en la que además, Massimiliano Di Ventra, de la Universidad de California en San Diego, describió cómo la memresistividad podía explicar ciertas pautas de aprendizaje biológico en amebas. Di Ventra presentó evidencia microscópica de elementos biomemresistivos en organismos unicelulares y multicelulares. El artículo técnico es Yuriy V. Pershin, Steven La Fontaine, Massimiliano Di Ventra, “Memristive model of amoeba’s learning,” ArXiv, Submitted on 22 Oct 2008 .

Microfotografías de 2 memorias de nanomemristores conectadas entre sí (C) National Academy of Sciences, EEUU.
Microfotografías de 2 PLA de nanomemristores y transistores convencionales conectadas entre sí (C) PNAS.

Una PLA (Programmable Logic Array) es un dispositivo programable que permite implementar circuitos lógicos combinacionales (los que utilizan los circuitos integrados de los “cerebros” (CPU) de nuestros ordenadores). Usando (nano)memristores como elmentos pasivos y transistores como elementos activos que amplifiquen la información guardada por los primeros se pueden fabricar PLA que permiten implementar circuitos combinacionales complicados con muy pocos componentes, minimizando el área del chip utilizada y la potencia eléctrica consumida. Estas PLA pueden configurarse, por ejemplo, como celdas de memoria para las futura RRAM. Como muestra la figura de arriba se utiliza una red cruzada de 441 memristores formados al cruzar 21 nanohilos de 40 nm. de ancho cruzados con otros tantos, con dióxido de titanio semiconductor en cada unión (un punto de 20 nm. de ancho). Por ahora las operaciones lógicas que se pueden implementar son sencillas (el artículo muestra el “programa” para la operación lógica A*B+C*D). El logro ha sido obtenido, como no, en los HP Labs (Hewlett-Packard Laboratories) en Palo Alto, California, como nos cuenta Lisa Zyga, “Self-Programming Hybrid Memristor/Transistor Circuit Could Continue Moore’s Law,” PhysOrg.com, February 26th, 2009 , haciéndose eco del artículo técnico Julien Borghetti, Zhiyong Li, Joseph Straznicky, Xuema Li, Douglas A. A. Ohlberg, Wei Wu, Duncan R. Stewart, R. Stanley Williams, “A hybrid nanomemristor/transistor logic circuit capable of self-programming,” PNAS 106: 1699-1703, February 10, 2009 .

Los memristores están de moda. Se están convirtiendo en un campo candente (“hot topic”) y muchos se han apuntado al carro. No desean desaprovechar su potencial para transformar la industria de semiconductores ya que permiten el desarrollo de circuitos integrados más pequeños, rápidos y baratos para la fabricación de ordenadores. En la Universidad de Michigan han desarrollado un memoria RRAM de 1 Kb compuesta de nanomemristores compatible con la tecnología CMOS actual, con una densidad de integración 10 veces mayor que la tecnología actual basada en silicio y una velocidad de proceso mucho más rápida. Nos lo contaban en “UM Engineer’s Memristor Chip Could Lead To Faster, Cheaper Computers,” WWJ News Radio 950, Tuesday, 17 March 2009 , haciéndose eco del artículo técnico del Dr. Wei Lu y dos de sus doctorandos Sung Hyun Jo, Kuk-Hwan Kim, “High-Density Crossbar Arrays Based on a Si Memristive System,” Nano Letters 9: 870–874, 2009 .

Estos avances en memorias RRAM todavía necesitarán varios años para llegar al mercado, pero la carrera ya ha comenzado. ¿Para cuándo el memristor en todos los cursos sobre circuitos electrónicos?


1 Comentario

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Andrez Fernando Martínez Mendieta

Sería interesante saber como esta fisico-matemática del Memristor afecta, modifica o complementa la fisico-matemática actual de los circuitos electrónicos. De igual forma este nuevo avance sólo traerá beneficios en todas sus fases, desde su fabricación hasta su uso final…

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