De stabiele memristor met exotische elementen als tantaal (en tantaaloxide), hafnium en zirkoon (afb: Ilia Valov et al./Nature Communications)

Memristors zijn weerstanden met een geheugen. Ze hebben vrijwel geen energie nodig en gedragen zich zoals wij denken dat hersencellen zich gedragen. Onderzoekers van onderzoeks-centrum Jülich onder leiding van Ilia Valov hebben nieuwe memristieve componenten ontwikkeld die aanzienlijke voordelen zouden hebben ten opzichte van eerdere versies.  Ze zouden robuuster zijn, over een breder spanningsbereik werken en zowel analoog als digitaal kunnen worden gebruikt. Met deze eigenschappen zouden ze de ‘katastrofaal vergeetachtigheid’ kunnen oplossen, waarmee kunstmatige neurale netwerken kampen en ze plots alles vergeten wat ze al hebben geleerd.
Het probleem van ‘katastrofaal vergeten’ ontstaat wanneer neurale netwerken worden klaargestoomd voor een nieuwe taak. Dit komt doordat een nieuwe optimalisatie simpelweg een eerdere optimalisatie overschrijft. Onze hersenen kennen dit probleem niet, omdat ze blijkbaar de mate van synaptische verandering kunnen aanpassen. De laatste tijd duikt steeds vaker in dit verband de term metaplasticiteit op. Alleen door deze verschillende gradaties van plasticiteit (in feite aanpassingsvermogen) zou ons denkorgaan voortdurend nieuwe taken kunnen leren zonder de oude inhoud kwijt te raken.
De nieuwe memristor lijkt dat ook te kunnen. “Die eigenschappen maken het mogelijk om verschillende schakelmodi te gebruiken om de modulatie van de memristor te regelen, zodat opgeslagen informatie niet verloren gaat”, legt Valov uit.

Moderne computerchips ontwikkelen zich razendsnel. Ze zouden nog verder op weg geholpen kunnen worden door deze memristors, denken de onderzoekers. Bij een memristor verandert de elektrische weerstand afhankelijk van de aangelegde spanning en in tegenstelling tot conventionele schakelelementen blijft de weerstandswaarde gelijk nadat de spanning wordt uitgeschakeld. “Memristieve elementen worden beschouwd als ideale kandidaten voor leren, neuro-geïnspireerde componenten van een computer die gemodelleerd zijn naar de hersenen”, stelt Valov.

Toch loopt het niet zo hard met die memristors. Dat zou vooral komen door het vaak hoge foutpercentage in de productie en de korte levensduur van de producten. Bovendien zijn ze gevoelig voor warmteontwikkeling of mechanische invloeden, waardoor er vaak storingen in de werking kunnen optreden. Valov: “Fundamenteel onderzoek is daarom essentieel om processen op nanoschaal beter te kunnen beheersen. We hebben nieuwe materialen en schakelmechanismen nodig om de complexiteit van de systemen te verminderen en het scala aan functionaliteiten te vergroten.”

Nieuw mechanisme

Volgens de materiaalkundige en scheikundige hebben hij en zijn collega’s een fundamenteel nieuw elektrochemisch memristief mechanisme ontdekt, dat chemisch en elektrisch stabieler is. “Tot nu toe zijn er twee hoofdmechanismen voor het functioneren van zogenaamde bipolaire memristors gevonden: ECM en VCM”, legt hij uit (ECM staat voor elektrochemische metallisering en VCM voor valentieverandering).

Bij ECM-memristors vormt zich tussen de twee elektroden een metalen filament: een kleine geleidende tong die de elektrische weerstand verandert en weer oplost wanneer de tegengestelde spanning wordt toegepast. De energiebarrière (weerstand) van de elektrochemische reactie wordt als een kritische parameter beschouwd. Dit ontwerp maakt een lage schakelspanning en snelle schakeltijden mogelijk. De gegenereerde toestanden zijn echter variabel en van korte duur.

Bij VCM-memristors wordt de weerstand echter niet geregeld door de beweging van metaalionen, maar door de beweging van zuurstofionen op het grensvlak tussen elektrode en elektrolyt door de zogeheten Schottky-barrière te veranderen. Het proces is relatief stabiel, maar vereist hoge schakelspanningen.
Beide typen memristors hebben verschillende voor- en nadelen. “We hebben daarom bedacht om een ​​memristor te bouwen die de sterke punten van beide typen combineert”, zegt Valov. Dat zou niet mogelijk zijn, maar Valov c.s. schijnen dat toch voor elkaar gekregen te hebben. “Onze nieuwe memristor is gebaseerd op een heel ander principe: hij gebruikt een filament van metaaloxiden, niet een zuiver metallisch zoals ECM.”
Dit filament wordt gevormd door de beweging van zuurstof- en tantaalionen en is stabiel. Dat lost nooit helemaal op. Valov: “Je kunt je in principe voorstellen dat het filament altijd aanwezig is, althans in zijn oorspronkelijke vorm en alleen chemisch is veranderd.” Dit schakelmechanisme is daardoor zeer stabiel, stelt hij.

Voordelen

De bijbehorende componenten hebben verschillende voordelen. Ze zijn chemisch en elektrisch stabieler, beter bestand tegen hoge temperaturen, hebben een breder spanningsbereik en vereisen lagere spanningen voor de productie. Hierdoor branden er minder onderdelen door tijdens het productieproces, is er minder afval en is de levensduur langer, stellen de onderzoekers.
Daarnaast maken de verschillende oxidatietoestanden het mogelijk om de memristor binair en/of analoog te gebruiken. Terwijl binaire signalen digitaal zijn en slechts twee toestanden kunnen weergeven, zijn analoge signalen continu en kunnen ze elke tussenliggende waarde aannemen. Deze combinatie van analoog en digitaal gedrag is met name interessant voor neuromorfische chips, omdat die kan helpen het probleem van ‘katastrofaal vergeten’ te overwinnen.

De onderzoekers hebben hun nieuwe memristieve component, bestaand uit exotische elementen als tantaal en hafnium, al ‘uitgeprobeerd’ in een simulatie van een model van kunstmatige neurale netwerken. Het systeem bereikte een hoge nauwkeurigheid bij patroonherkenning.
In de toekomst willen de onderzoekers op zoek gaan naar andere materialen voor de memristors die mogelijk nog beter en stabieler werken dan de versie die nu wordt gepresenteerd. Valov: “Onze resultaten zullen de ontwikkeling van elektronica voor berekeningen met het geheugen verder vooruithelpen.” Het is overigens wel grappig dat Valov niet vermeldt of dat betekent dat ki met deze memristors een stuk minder energievretend wordt.

Bron: idw-online.de