Memristorit antavat elektroniikalle muistia samaan tapaan kuin synapsit hermoverkolle.

Teksti: Kalevi Rantanen

Memristorit antavat elektroniikalle muistia samaan tapaan kuin synapsit hermoverkolle.

Julkaistu Tiede -lehdessä 3/2011.Viime elokuussa elektroniikkajätti Hewlett-Packard ja eteläkorealainen muistinvalmistaja Hynix Semiconductor ilmoittivat aikovansa aloittaa memristorien massavalmistuksen. Kauppaan ne lupaavat tuotteita kolmen vuoden päästä. Ensi vaiheessa saadaan parempia muisteja kännyköihin, mp3-musiikkisoittimiin ja muihin vekottimiin. Kehitys on kulkenut nopeasti, sillä memristorin prototyypin rakensivat vain kolme vuotta sitten Palo Altossa Kaliforniassa neljä Hewlett-Packardin tutkijaa: fyysikot Stan Williams, Dmitri Strukov ja Duncan Stewart sekä tietokonesuunnittelija Gregory Snider. Memristori on muistivastus, joka koostuu johtavasta ja eristävästä kerroksesta. Koska kerrosten paksuus on pieni, nanometriluokkaa, memristori toimii toisin kuin tavallinen resistori eli vastus.Memristorin vastus riippuu virran suunnasta ja liitoksen läpi kulkevien varausten määrästä. Virran kulkiessa yhteen suuntaan vastus kasvaa ja suunnan vaihtuessa vähenee. Tavallisen resistorin vastus pysyy samana.Kiinnostavin piirre on muisti. Memristori säilyttää katkaisuhetken vastuksen. Tavallisen resistorin vastus pysyy vakiona.

Kuin vesi muokkaisi johtoa Tehdäkseen memristorin toiminnan helpommin hahmotettavaksi Stan Williams vertaa sitä vesijohtoon. Vesiputki kuvaa vastusta, vesi sähkövarauksia, veden virtaus sähkövirtaa ja paine jännitettä.Jos vesijohto toimisi memristorin tavoin, sen halkaisija suurenisi veden virratessa yhteen suuntaan ja pienenisi, kun virran suunta vaihtuisi. Kun virtaus suljettaisiin, putken mitta jäisi ennalleen. Vesijohto ei todellisuussa voi käyttäytyä näin, mutta nanotekniikassa ja hermofysiologiassa tilanne on toinen. Vääräleuat nimittelivät jo 1950-luvulla alkeellisia tietokoneita sähköaivoiksi, mutta nyt vitseihin alkaa tulla totuuden murua. Tutkijat uskovat, että memristorilla voi jäljitellä aivotoimintaa. Hermosolu koostuu solukeskuksesta sekä dendriiteistä eli tuojahaarakkeista ja aksoneista eli viejähaarakkeista. Soluja ja haarakkeita liittävät toisiinsa synapsit. Hermofysiologit ovat jo kauan tienneet, että synapsi ei vain päästä lävitseen ärsykkeitä, vaan muistaa tapahtumia, hermoston aiempaa aktiivisuutta.

Eletunnistukseen voimaa Uusi tekniikka mahdollistaa jännittäviä sovelluksia.– Erityisen hyvin memristorille sopivat rinnakkaiset laskentatehtävät, kertoo dosentti Mika Laiho Turun yliopistosta. – Sellaisia tarvitaan esimerkiksi, kun laite havainnoi ympäristöään ja tekee nopeita päätelmiä.Siksi memristorit auttavat kehittämään lisää eleillä ohjattavia laitteita, jotka reagoivat ympäristöön reaaliaikaisesti (ks. Vartalo vie, peli vikisee, Tiede 2/2011). Ehkä tuleva kotirobottisi osaa tulkita liikkeitäsi juuri memristorien ansiosta.

Sopii massatuotantoonTärkeä memristorin piirre on valmistettavuus. – Memristori on ensimmäinen nanokomponentti, joka soveltuu massavalmistukseen, Laiho sanoo.Suomalaisia kiinnostaa etenkin mahdollisuus painaa memristoreja. Oulussa käynnistellään tutkimusta niiden käytöstä painetussa elektroniikassa. Esitestejä on jo tehty. – Olemme kilpasilla transistoripuolen kanssa; painettavia transistoreita ei vielä ole, kertoo professori Juha Häkkinen Oulun yliopiston Optoelektroniikan ja mittaustekniikan laboratoriosta.

Memristoripelejä painokoneestaPainettu, massatuotantoon sopiva haihtumaton muisti on tulossa muutamassa vuodessa. Painetut mikroprosessorit ja tietokoneet ovat vielä kaukana, mutta memristorien avulla painettuun elektroniikkaan saataisiin yksinkertaista logiikkaa. Sillläkin kyetään tekemään paljon. Käyttöliittymissä painetut memristorit auttavat konetta ymmärtämään käyttäjän viestejä. Lääketieteessä hyödytään ”älylakmuksesta” eli tekniikasta, joka muuttaa analyysitietoa helppolukuiseen muotoon. Nopeasti koteihin ehtiviä sovelluksia ovat älykkäät lautapelit. 

Palstan pitäjä Kalevi Rantanen on diplomi-insinööri, tietokirjoittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.