Существование принципиально нового пассивного электроэлемента — мемристора — было предсказано в 1971 году, а первый рабочий образец появился в 2008-м. Напомним, что сопротивление такого двухполюсника изменяется в зависимости от общей величины заряда, проходящего через элемент. Помимо этого, мемристор сохраняет свое состояние при выключении питания (то есть может служить энергонезависимым запоминающим устройством).
Очевидно, что для реализации возможностей мемристоров необходимо включать их в цепь вместе с активными элементами (транзисторами). Об успешном создании такой схемы недавно объявили специалисты из исследовательского отдела компании НР в Пало-Альто (США). По сообщению ученых, им удалось осуществить программирование наномемристора средствами гибридной схемы и обеспечить его функционирование в режимах логического элемента, запоминающего устройства и коммутатора сигналов. «Для имитации электрических свойств мемристора требуется больше десятка транзисторов, — отметил в интервью сайту PhysOrg.com Стэн Уильямс (Stan Williams), один из авторов работы. — В тех случаях, когда на некотором этапе преобразования от схемы требуется фиксация информации, разработчику, вероятно, будет удобно заменить несколько активных элементов одним микроскопическим мемристором. Работа микросхемы не нарушится, а занимаемая элементами площадь и потребление энергии уменьшатся».
Конструктивно созданный специалистами НР макет гибридной схемы представляет собой матрицу из 42 проволок диаметром 40 нм, половина которых протягивается в произвольном направлении параллельно друг другу, а вторая половина — под углом 90º к выбранному на первом этапе направлению. Слой полупроводникового материала (диоксида титана, химическая формула TiO2) толщиной 20 нм располагался между взаимно перпендикулярными проволоками в местах их пересечения, формируя набор мемристоров. Заметим, что на физическом уровне значение проводимости мемристора определяется распределением легирующей примеси в полупроводнике (положительно заряженных кислородных вакансий); к примеру, при подаче положительного напряжения смещения сопротивление элемента увеличивается. Полученную конструкцию окружал массив полевых транзисторов, которые соединялись с выводами мемристоров металлическими проводниками.
Тестирование схемы включало в себя два этапа. Сначала исследователи оценили работоспособность мемристоров в режиме логических элементов: схема должна была выполнить простую логическую операцию вида (AB + CD), где начальные значения переменных А, В, С и D задаются напряжениями на цифровых входах. Вычисления производились мемристорами, расположенными в двух разных рядах, а выходные сигналы подавались на транзисторы и усиливались ими. Получив удовлетворительные результаты, специалисты перешли к следующей стадии эксперимента: изучению «автопрограммируемого» мемристора.
Схема опыта была модифицирована следующим образом (см. рисунок): число запрограммированных изначально мемристоров сократилось до двух (соответственно, выполняемая ими логическая операция — И-НЕ — также максимально упростилась), а выходной сигнал, обозначенный на иллюстрации зеленым, посылался на транзистор, выдававший напряжение VOUT на тот мемристор, который предполагалось программировать. На иллюстрации дополнительно отмечены значения входных переменных (VА и VВ) и напряжения питания транзисторов (V1, V2, V′1 и V′2). Этот эксперимент также завершился удачно; проводимость заданного элемента была изменена.
Ученые надеются, что созданный ими прототип гибридной цепи послужит основой для интеграции мемристоров в существующие на сегодня схемы. «Автопрограммирование — своеобразная форма обучения, — раскрывает блестящие перспективы технологии г-н Уильямс. — Цепи с мемристорами теоретически могут самостоятельно «научиться» выполнять определенные функции».