Forschung Hoffnungsträger Memristor

Jahrzehnte lang als viertes passives Bauelement postuliert, war es kürzlich Forschern der HP Labs gelungen, die Theorie in die Praxis umzusetzen. Nun wird über die Einsatzmöglichkeiten des neuen Bauelements theoretisiert.

Aus »Gründen der mathematischen Ästhetik« definierte Prof. Leon Chua im Jahr 1971 den Memristor (Wortkombination aus Memory und Resistor) als viertes passives Bauelement neben Widerstand, Induktivität und Kondensator. Damit konnte er die Lücke füllen, die aus den diversen Kombinationen von Strom, Spannung, Ladung und magnetischem Fluss übrig geblieben war: Die Memristanz als Funktion des magnetischen Flusses über die elektrische Ladung. Für jeden Augenblick verhält sich ein Memristor wie ein normaler Widerstand, allerdings hängt sein Wert von der Vergangenheit des Stroms (Stärke, Polarität und Dauer) ab – das Bauteil »merkt« sich seine »Geschichte «, auch bei abgeklemmter Stromversorgung. Damit ist ein Memristor allerdings kein konstantes Bauelement mehr, im Unterschied zu den drei bekannten passiven Bauelementen – und welcher Ingenieur hat schon gerne eine zusätzliche Variable in seiner Schaltung?

Dies war für viele ein Ausschlusskriterium, sich nicht weiter mit dem theoretischen Ansatz zu beschäftigen, auch wenn Prof. Chua einen aufwändigen »Simulator« baute, der die Kennlinie eines Memristors nachbildete. Die Suche nach einem real existierenden Memristor verlief Jahrzehnte lang erfolglos. »Die Tatsache, dass ein Magnetfeld keine explizite Rolle im Mechanismus der Memristanz spielt, ist ein möglicher Grund, warum das Phänomen solange unentdeckt blieb«, erklärt Stanley Williams, Hewlett Packard Senior Fellow und Direktor des Information and Quantum Systems Lab (IQSL). »Diejenigen, die am Memristor interessiert waren, suchten am falschen Platz«.

Williams und seine Gruppe arbeiten an Materialien für Nanodrähte in ultradichten Crossbar Switches (100 Mrd. Crossbars pro cm²), als sie auf eine ungewöhnliche Kennlinie stoßen. Ähnliche Phänomene wurden in mehr als 100 Abhandlungen seit Anfang der 60er-Jahre beschrieben. Williams erkennt darin die solange vermutete Memristanz. Im Jahr 2008 kann das Team dann die ersten Memristoren der Fachwelt vorstellen: 17 Drähte aus jeweils nur 150 »Atomlagen« dickem Titandioxid auf einem Die.

TiO2 ist ein Halbleiter, der in reinem Zustand ein Isolator ist. Darum wurde eine Seite mit Sauerstoff »dotiert«. Die Sauerstofffehlstellen wandern je nach Polarität in das Material hinein und reduzieren damit den Widerstand oder kommen wieder zurück und erhöhen den Widerstand. Auch das ist eigentlich nichts Neues, seit Jahren arbeiten Sauerstoffsensoren mit TiO2 als Material. Allerdings wurde der Memresistor-Effekt erst richtig deutlich mit immer weiter abnehmender Strukturgröße. Denn die Effizienz des Materials steigt – im Unterschied zu anderen Halbleitern – mit immer kleineren Strukturen weiter an, was es natürlich scheinbar als einen »Geheimtipp« für Zukunftstechnologien prädestiniert.

»Ich hab mir Jahre lang den Kopf gekratzt und darüber nachgedacht«, gesteht Williams, »dann ist es mir wie Schuppen von den Augen gefallen.« Er war auf die Memristanz gestoßen. »Ohne Chuas Schaltungsgleichungen kann man so ein Teil nicht sinnvoll nutzen«, betont Williams, »es ist einfach eine irre Sache. Die Leute hatten immer die falschen Gleichungen genutzt. Es ist, als ob man einen Waschmaschinenmotor in ein benzinbetriebenes Fahrzeug setzt und sich wundert, dass nichts geht.« Der Memristor war endlich gefunden und die Theorie bestätigt. Unbestätigt ist allerdings noch der künftige Einsatz des neuen Bauelements.

Zwar ist es den Forschern gelungen, mit ihrem Crossbar Switch 100 GBit auf einem Quadratzentimeter unterzubringen, und man rechnet künftig mit TBit und mehr pro Quadratzentimeter, allerdings muss man dafür die bewährte Speicheransteuerung über Bord werfen: Denn fließt ein Strom durch den »Schalter«, verändert das seinen Wert. Man muss also mit Wechselspannung den Memristor prüfen, um seinen Widerstandswert zu ermitteln, am besten beginnend und endend mit dem Nulldurchgang einer oder mehrerer kompletter Sinusschwingungen – TTL-Pegel sehen anders aus. Es muss also einiges am »Speicher-Interface« gemacht werden, um die neue Technologie als Ersatz für bestehende Lösungen in der Digitaltechnik nutzen zu können.

Auf der »grünen Wiese« kann man allerdings in dem zweiten von Williams angedachten Einsatzfeld anfangen: der Memristor als zentrales Element eines neuronalen Netzes. Ähnlich der Gewichtung von Neuronen könnte der Memristor seinen besten Wert innerhalb des Verbundes »lernen«. Allerdings ist das biologische Vorbild keine passive, sondern eine aktive Komponente, die auch Signale verstärken kann. Zudem tritt das Fachgebiet der »künstlichen Intelligenz« seit Jahren mehr oder weniger auf der Stelle, da es an Alleinstellungsmerkmalen bei praktischen Lösungen mangelt – allzu oft können »klassische Ansätze« mit gelösten oder zumindest gut genäherten Differenzialgleichungen das Problem günstiger lösen.

Genau hier bietet sich eine Chance für den Memristor: Er kann als »Integral« angesehen werden, weil er die Ladung über die Zeit akkumuliert und sein »Wissen« auch nach dem Abschalten der Stromversorgung behält. Damit erschließen sich sowohl Low-Power-Applikationen als auch Analogrechner/Steuerungen.

Wenn »ästhetische Aspekte« zur Postulierung führten, dann sollte der Memristor diesen Wurzeln treu bleiben und besser in der klassischen, analogen Schaltungstechnik zum Einsatz kommen, als ihn krampfhaft in die Digitaltechnik einzubauen – aber vielleicht täuscht er wie sein »Magnetfeld« erneut den Betrachter.