Memristoren

Die Bezeichnung Memristor geht auf den amerikanischen Ingenieur Leon Chua zurück, der im Jahr 1971 das theoretische Konzept für dieses Bauteil entwarf, wobei sich anders als bei klassischen Schaltelementen bei einem Memristor der elektrische Widerstand ändert und damit die Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der angelegten Spannung. Nach Abschalten der Spannung behält der Memristor seinen letzten Widerstandswert bei, d. h., das Bauteil kann somit Informationen gleichzeitig verarbeiten und speichern. Dieses Verhalten basiert auf strukturellen Veränderungen des Memristors, etwa indem durch die Spannungspulse zwischen den zwei Elektroden geladene Atome hin- und herwandern und ablagern, was den Widerstand senkt beziehungsweise anhebt.

In ihrem elektrischen Verhalten ähneln Memristoren in gewisser Weise biologischen Synapsen, denn auch Lern- und Merkfähigkeit des Gehirns sind wesentlich darauf zurückzuführen, dass sich die Verbindungen zwischen Nervenzellen sozusagen verstärken. Synapsen leiten zum Beispiel Signale unterschiedlich stark weiter, wenn sie schnell hintereinander erregt werden. Zusätzlich sorgt die Aktivität für eine langfristige anatomische Änderung, die die Stärke der Übertragung sogar lebenslang beeinflusst. Hirnforscher sprechen von der synaptischen Plastizität. Im Gegensatz zu traditionellen Halbleiterelementen sind Memristoren kein starres Konstruk, sondern sind – ähnlich wie Synapsen wandlungsfähig und sogar „lernfähig.

Aktuell werden dreidimensionale neuromorphe Prozessoren entwickelt, die der Komplexität des Gehirns einen großen Schritt näherkommen sollen, denn der Chip nutzt anstelle von Transistoren und anderen klassischen Bauteilen Memristoren. Diese Memristoren bestehen aus einer dünnen Schicht Hafniumoxid, die zwischen einer Titan- und einer Tantalelektrode eingebettet ist, wobei das Bauteil schnell – innerhalb von Nanosekunden – seine elektrischen Eigenschaften ändert, wenn man einen entsprechenden Spannungspuls anlegt. Fremdatome in der Oxidschicht beeinflussen das elektronische Verhalten der Memristoren, denn je mehr Verunreinigungen vorhanden sind, desto langsamer erhöht sich der Widerstand mit den eingehenden Spannungspulsen und umso stabiler ist der Widerstandswert. Elemente mit sehr wenigen Fremdatomen schalten innerhalb von nur 1,4 Nanosekunden, doch wenn man die Oxidschicht der Bauelemente gezielt mit Fremdatomen dotiert, können sie Schaltzeiten bis in den Bereich von Millisekunden erhöhen.

Literatur

FAZ vom 6. Juni 2020