MEMRISTOR

CLICIANE F. SANTOS

TAMIRES NATJA R. RODRIGUES

Rondonópolis

09/2012

Cliciane F. Santos

Tamires Natja R. Rodrigues

MEMRISTOR

Trabalho apresentado ao Professor Carlos Beuter

da disciplina : Eletrônica

da turma EM24 , turno: Integral

do curso : Engenharia Mecânica

Universidade Federal de Mato Grosso

Rondonópolis – 20/09/2012

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO............................................................................................................4

2. A EVOLUÇÃO DOS COMPONENTES ELETRONICOS........................................5

3. MEMRISTOR..............................................................................................................6

4. MEMRESISTÊNCIA...................................................................................................6

5. O DESENVOLVIMENTO DO MEMRISTOR PELA HP..........................................6

6. MEMRISTOR NA TEORIA........................................................................................7

1. FLUXO MAGNETICO NO COMPONENTE ELETRÔNICO PASSIVO..................8

7. COMPOSIÇÃO E APLICAÇÕES...............................................................................9

8. CONCLUSÃO............................................................................................................10

9. BIBLIOGRAFIA........................................................................................................11

1. INTRODUÇÃOO trabalho que se segue, tem como objetivo apresentar o que acredito ser o

quarto componente da eletrônica que é o memristor. Mostrarei como esse componente foi descoberto, bem como sua composição, e as finalidades para as quais o memristor foi desenvolvido. No decorrer deste trabalho serão apresentadas algumas pesquisas feitas pelo grupo Hewlett-Packard (HP) onde esta sendo feito um estudo do desenvolvimento de uma memória não volátil baseada em memristor.

Com a ascensão do memristor, poderemos crer em uma evolução tecnológica e inúmeros benefícios ao mudo atual, já que seu mentor, o cientista Leon Chua acredita que as sinapses, conexões entre neurônios, têm um pouco do comportamento memristivo. Por isso, um memristor seria o dispositivo eletrônico ideal para emular uma sinapse biológica.

Pelo fato de o memristor ser um componente novo, mesmo que os primeiros estudos feitos em relação a este componente já somem quase quarenta anos, ele ainda está em processo de pesquisas e desenvolvimento. Contudo se puderem ser fabricados em escala industrial, mantendo todas as características observadas nos protótipos de laboratório, poderá estar aberto o caminho para o desenvolvimento de computadores que não perdem dados quando desligados, em uma solução mais eficiente do que as oferecidas pelas memórias magnéticas.

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2. A EVOLUÇÃO DOS COMPONENTES ELETRONICOS

A eletrônica é uma área da Ciência que revolucionou o mundo e possibilitou o surgimento da computação. Foi necessário que vários cientistas formulassem teorias e cálculos de alta complexidade para provar que pequenos componentes poderiam gerar máquinas capazes de processar tarefas. É baseado nesse contexto que darei inicio a essa pesquisa sobre memristor, mas antes será feito um breve apanhado sobre os principais componentes fundamentais da eletrônica.

Figura 1- Exemplo de Resistor, Capacitor e Indutores

Fonte: Site tecmundo.com.br

O resistor, o capacitor e o indutor (três principais componentes da eletrônica) são pequenas peças utilizadas na eletrônica, e informática. Estão presentes desde os mais simples eletrodomésticos até as televisões, vídeo games e computadores de ultima geração. Entretanto houve uma época em que o mundo estava “estagnado” (tecnologicamente falando) por falta de um componente muito importante: O transistor, que mais tarde serviria como uma peça inteligente que consegue realizar tarefas mais complexas do que o simples armazenamento de carga, retenção ou indução (funções até então realizadas pelo capacitor, resistor e indutor, respectivamente). A princípio, o transistor foi pouco utilizado e não apresentava resultados muito surpreendentes, mas após a sua ascensão, foi possível criar processadores e microchips capazes de interpretar ordens, o que tornou este componente indispensável na eletrônica e na computação.

Com a evolução constante da tecnologia, todos os componentes apresentados até aqui sofreram uma enorme redução de tamanho chegando à Nanotecnologia. Contudo a nanotecnologia viabilizou a criação de diversas peças para os computadores, como por exemplo, os processadores, chipsets, memórias e muitos outros. Foi graças à nanotecnologia que as memórias (memória RAM) puderam ser desenvolvidas em tamanhos extraordinariamente pequenos. Porem as memórias RAM sempre sofreram com um grande problema: a componente. Cada memristor é caracterizado por uma função que descreve a variação do fluxo magnético dependência de energia.

O desenvolvimento de memórias RAM que pudessem armazenar dados (mesmo que temporariamente) sem a utilização de energia se tornou um grande problema principalmente para a indústria da computação, já que essas memórias são voláteis deixando os sistemas mais lentos do que poderiam ser. Lentidão essa que ocorre na

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transmissão de dados entre o disco rígido e a memória RAM. A transferência de dados entre HD e memória sempre gerou problemas, e talvez seja um dos fatores que mais limita a evolução da computação. Contudo, este problema poderá enfim ser resolvido, pois está sendo criado o quarto elemento fundamental da eletrônica denominado memristor.

3. MEMRISTOROs memristores são nano fios com 50 nanômetros de largura (cerca de 150

átomos), sendo formados por duas camadas de dióxido de titânio conectados a condutores. Quando se aplica uma corrente elétrica é a um dos nano fios, a resistência dos outros se altera, esta mudança é registrada como um bit (unidade básica de informação).

Figura 2- Exemplo de Memristor

Fonte: memristor.org

O memristor foi proposto em 1971 pelo professor Leon Chua, um brilhante cientista da Universidade de Berkeley na Califórnia, Chua afirmava que o dispositivo (uma junção livre entre memória e resistor) seria o quarto componente fundamental da eletrônica e que teria propriedades que não poderiam ser duplicadas por nenhuma combinação dos outros três elementos. Entretanto ninguém sabia como construir um memristor na época.

A propriedade mais importante desse novo componente é a "memresistência", o que significa que o memristor é uma memória resistiva, que não perde os dados quando a energia é desligada.

4. MEMRESISTÊNCIA

A memresistência (enquanto fenômeno isolado) já foi observada em alguns experimentos ao longo dos últimos 50 anos, mas a sua existência não havia sido comprovada porque, segundo pesquisadores, é mais fácil detectar a memresistência em componentes construídos em nano escala já que os átomos do componente precisam mudar de posição quando a tensão elétrica é aplicada.

O elemento primordial para que ocorra a memresistência é que os átomos do componente memristivo precisam mudar de posição quando a tensão elétrica é aplicada, e isso acontece muito mais facilmente em níveis manométricos.

Após 37 anos da idealização do memristor, cientistas da Hewlett-Packard (HP) conseguiram desenvolver uma modelagem matemática que comprova que o protótipo em nano escala desenvolvido pela empresa é na verdade o memristor idealizado pelo professor Leon Chua. Eles descreveram matematicamente os princípios físicos do novo componente e construíram protótipo que, segundo eles, demonstram todas as características operacionais necessárias para provar que o memristor é real.

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5. O DESENVOLVIMENTO DO MEMRISTOR PELA HPA HP anunciou recentemente que sua equipe de cientistas elaborou diversos

testes em seus laboratórios de pesquisas, pois ainda em 2005 haviam desenvolvido um novo componente para o mundo da eletrônica. Este novo componente tinha outro nome (Crossbar Latch), mas descobriram recentemente que na verdade ele é um Memristor — um componente que alguns já pensavam na existência, porém algo que nunca havia saído do papel.

Se os memresistores construídos pelos cientistas da HP puderem ser fabricados em escala industrial, mantendo todas as características observadas nos protótipos de laboratório, poderá estar aberto o caminho para o desenvolvimento de computadores que não perdem dados quando desligados da tomada, em uma solução mais eficiente do que as oferecidas pelas memórias magnéticas

6. MEMRISTOR NA TEORIAO memristor é definido como um elemento elétrico de dois terminais no qual o

fluxo magnético Φm entre seus terminais é função do total de carga elétrica q que passa pelo com a carga.

Note que, pela Lei de Faraday o fluxo magnético é apenas a integral da tensão no tempo t, enquanto que carga elétrica é a integral da corrente no tempo t. Reescrevendo a equação anterior de forma mais adequada obtemos:

O memristor (memória-resistência) é uma resistência elétrica dependente da carga e M(q(t)) é constante, então obtemos a Lei de Ohm: R(t)= V(t)/ I(t).

Contudo q(t) e M(q(t)) variam com o tempo. Reescrevendo a equação temos:

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A equação acima mostra que a memória-resistência define uma relação linear entre corrente e tensão. Uma corrente maior que zero implica numa carga q variante com o tempo. Logo, o memristor permanece estático sem a presença de corrente. Portanto se I(t) = 0, então V(t)=0 e M(t) é constante. Essa é a essência do efeito memória-resistência. Na presença de corrente alternada, verifica-se a mesma relação linear entre a corrente e a tensão: não há grande variação de carga no memristor.

A potência aferida no memristor é calculada da seguinte forma:

Verificando que, quando M(q(t)) varia pouco, como acontece sob corrente alternada, o memristor terá as características de um resistor. No entanto se M(q(t)) aumenta rapidamente, a corrente e a potência tenderão à zero.

6.1 FLUXO MAGNETICO NO COMPONENTE ELETRÔNICO PASSIVOFazendo uma analise um pouco mais detalhada sobre a teoria do circuito, note

que a corrente magnética Φm se relaciona à Lei da Indução de Faraday, pois a voltagem, em termos de potencial de campo elétrico (ganho) ao redor de um solenoide (força eletromotriz) equivale à derivada negativa do fluxo através deste solenoide.

Por analogia será estendida essa noção de campo para um componente eletrônico passivo (CEP). Se o circuito é composto por CEPs, então a corrente total é igual à soma de componentes do fluxo devido a cada dispositivo. Um solenoide, por exemplo, com baixa resistência terá alta articulação de corrente para um campo aplicado à medida que uma pequena corrente é "induzida" na direção oposta. A voltagem para dispositivos passivos são avaliadas em termos de energia "perdida" por uma unidade de carga:

Observando que Φm é igual à integral do potencial perdido entre dois pontos, então se conclui que pode ser facilmente calculado, neste caso por um amplificador operacional configurado como um integrador.

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7. COMPOSIÇÃO E APLICAÇÕESApós varias pesquisas foi verificado que o memristor ideal deve ser composto de

dióxido de titânio (TiO2), pois assim como o silício, tal material é um semicondutor, altamente resistivo em seu estado puro. O memristor também pode ser dopado com outros elementos para que se torne mais condutivo. O TiO2 dopado tende a derivar na direção da corrente elétrica, pois não permanece estacionário em um alto campo elétrico. Essa mobilidade é perigosa para um transistor, mas para o memristor resulta exatamente no efeito desejado. A colocação de um nível de tensão através de um filme fino de semicondutor TiO2 dopado apenas de um lado, causa a diminuição da resistência elétrica, e o deslocamento da corrente elétrica em outra direção aumenta a resistência elétrica do TiO2 empurrando o dopante para trás.

Os Laboratórios da HP estão pesquisando no momento como manufaturar os memristores de TiO2 e outros materiais além de tentar compreender a física por trás dos mesmos. O grupo tem perspectiva de integrar memristores em um único chip de silício, já que possuem um memristor de silício híbrido do tipo CMOS em testes.

O grupo da HP está estudando o desenvolvimento de uma memória não volátil baseada em memristor. “Uma memória baseada em memristores pode ser 1.000 vezes mais rápida do que discos magnético e usar muito menos energia” afirma Stanley Williams, um colaborador da HP.

Existem hoje negociações entre a HP (Williams e o seu grupo de pesquisa) e vários laboratórios de engenharia e neurociências que está há muito tempo perseguindo dispositivos que emulam os sistemas neurais biológicos. Leon Chua e o grupo de pesquisa de Williams acreditam que as sinapses (conexões entre neurônios) têm um pouco do comportamento memristivo, por isso, um memristor seria o dispositivo eletrônico ideal para emular uma sinapse biológica. Os pesquisadores do grupo HP pensam que podem abstrair “a ideia básica da sinapse” para fazer um computador essencialmente analógico e eficiente. “Algumas coisas que um computador digital levaria um tempo quase infinito, um computador analógico a base de Memristor demoraria apenas uma leve brisa”, diz Williams.

Figura 3: circuitos híbridos usandomemristores e transistoresFonte: Hewlett-Packard

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8. CONCLUSÃOO Memristor é diferente de outros elementos elétricos fundamentais no que se

refere ao transporte de uma memória do seu passado. Quando você desliga a tensão elétrica do circuito, o Memristor ainda se lembra de quanto foi o valor aplicado nele antes de ser desligado. Isto é um efeito que não pode ser duplicado por nenhuma combinação de circuito de resistores, capacitores ou indutores, este fator diferencia o Memristor e o qualifica como um elemento de circuito fundamental.

Contudo, os computadores digitais normais têm de ser reiniciados cada vez que são ligados, dado que seus circuitos lógicos são incapazes de manter os seus bits depois que a energia é interrompida. Sabendo que o Memristor possui a capacidade de se lembrar das antigas tensões aplicadas nele, poderemos construir computadores com componentes novos do tipo Memristor, que jamais precisaria ser reiniciado. Poderemos deixar todos os nossos arquivos de documentos e planilhas abertas e desligar o computador por horas ou dias, que ao ligarmos o mesmo tudo estará imediatamente na tela exatamente do modo como foi deixado.

Mesmo com as previsões otimistas da Hewlett-Packard, os estudos a respeito do memristor ainda precisam se aprofundar mais, principalmente no que se refere às sinapses neurais. Contudo se as pesquisas continuarem como o previsto pela HP, o foco de desenvolvimento da indústria pode mudar, ao invés de atentarem para o poder de processamento de um sistema, o olhos do mundo se fixem na eficiência da computação.

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9. BIBLIOGRAFIA

IEEE Spectrum Online sobre o Misterioso Memristors pelo Prof. Dr. Luis Filipe Wiltgen

Barbosa – LRA/FEAU/UNIVAP – 06 de maio de 2008.

http://www.tecmundo.com.br/video-game/2433-memristor-a-juncao-de-resistores-e-

memorias-em-um-so-componente.htm

http://www.memristor.org/

http://www.inovacaotecnologica.com.br/

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