El memristor o memristencia (una contracción de las palabras "memoria" y resistor/resistencia) fue un término acuñado en 1971 por el ingeniero eléctrico Leon Chua como el componente eléctrico pasivo de dos terminales no lineal faltante, ya que relaciona la vinculación de la carga eléctrica con un flujo magnético. La operación de los dispositivos RRAM (también llamados ReRAM) fue recientemente conectada con el concepto de memristor.D. B. Strukov, G. S. Snide, D. R. Stewart, and R. S. Williams, “The missing memristor found”, Nature 453, 80-83, 2008 De acuerdo con características relaciones matemáticas, hipotéticamente el memristor podría operar de la siguiente manera: la resistencia eléctrica del memristor no es constante sino que depende de la historia de la corriente que ha fluido previamente a través del dispositivo; es decir, su resistencia actual depende de la cantidad de carga eléctrica que ha fluido, y en qué dirección, a través de él en el pasado. El dispositivo recuerda su historia, la llamada propiedad de no-volatilidad. Cuando el suministro de energía eléctrica es desconectado, el memristor recuerda su resistencia más reciente, hasta que vuelva a ser encendido.
Leon Chua ha argumentado recientemente que la definición podría ser generalizada para cubrir todas las formas de dispositivos de memoria de dos terminales, tanto volátiles como no volátiles, basados en los efectos de resistencia conmutativa (resistencia variable). Algunas pruebas experimentales parecen contradecir esta afirmación, ya que el efecto no-pasivo de una nanobatería es observable en la memoria de la resistencia conmutativa. Chua también argumentó que el memristor es el elemento conocido más antiguo de los circuitos, con sus efectos precediendo al resistor, capacitor y al inductor.
En 2008, un equipo de HP Labs afirmó haber encontrado el memristor faltante de Chua, basado en el análisis de una capa fina de dióxido de titanio; el resultado de los laboratorios fue publicado en la revista Nature. El memristor se encuentra actualmente en desarrollo por varios equipos, incluyendo Hewlett-Packard, SK Hynix y HRL Laboratories.
Estos dispositivos fueron destinados a aplicaciones en memorias nanoelectrónicas, lógica computacional y para arquitecturas computacionales neuromórficas/neuromemristivas. En octubre de 2011, el equipo anunció que la disponibilidad comercial de la tecnología memristiva estaría al cabo de 18 meses, como un reemplazo a las tarjetas Flash, SSD, DRAM y SRAM. Más recientemente, se anunció que su disponibilidad comercial para una nueva memoria estaría estimada para el 2018. En marzo del 2012, un equipo de investigadores de HRL Laboratories y de la Universidad de Míchigan anunció el primer arreglo de memristores funcional en un chip CMOS.
Antecedentes miniaturadeimagen|Simetrías conceptuales de resistencia, capacitancia, inductancia y memristancia. En 1971, Chua extrapoló una simetría conceptual entre el resistor no-lineal (voltaje contra corriente), capacitor no-lineal (voltaje contra carga eléctrica), y el inductor no-lineal (flujo magnético contra corriente). Después infirió la posibilidad de un memristor como otro elemento no-lineal fundamental conectando el flujo magnético con la carga eléctrica. En contraste con un resistor lineal (o no-lineal), el memristor tiene una relación dinámica entre la corriente y el voltaje incluyendo una memoria del mismo voltaje y corriente que tuvo en el pasado. Otros científicos han propuesto resistores de memoria dinámica, tal como el memistor de Bernard Widrow, pero Chua intentó introducir la generalidad matemática.
La resistencia del memristor depende de la integral de entrada aplicada a sus terminales (en lugar del valor instantáneo de la entrada, como en un varistor). Dado que el elemento "recuerda" la cantidad de corriente que ha pasado a través de él la última vez, fue etiquetado por Chua con el nombre de "memristor". Otra forma de describir al memristor, es como cualquier elemento pasivo de un circuito que posee dos terminales que mantiene una relación funcional entre la integral de la corriente en relación con el tiempo (llamada carga) y de la integral del voltaje en relación con el tiempo (a menudo llamado flujo, por su relación con el flujo magnético). La pendiente de esta función se llama memristancia M y es similar a la resistencia variable.
La definición del memristor está basada únicamente en las variables fundamentales de circuitos de corriente y tensión (voltaje) y sus integrales con respecto al tiempo, justo como el resistor, el capacitor y el inductor. Sin embargo, a diferencia de estos tres elementos, en que se permite una invariante lineal del tiempo o sistema teórico LTI, los memristores de interés tienen una función dinámica con la memoria, y se pueden describir como una función de la carga neta. No hay tal cosa como un memristor estándar. En lugar de ello, cada dispositivo implementa una función en particular, en donde la integral del voltaje determina la integral de la corriente y viceversa. Un memristor lineal invariante en el tiempo, con un valor constante de M, es simplemente un resistor convencional. Dispositivos manufacturados nunca son puramente memristores (memristor ideal), pero también exhiben algo de capacitancia y resistencia.
Definición y crítica del memristor De acuerdo con la definición original en 1971, el memristor fue el cuarto elemento fundamental de los circuitos, formando una relación no-lineal entre la carga eléctrica y el flujo magnético. En 2011 Chua abogó por una definición más amplia que incluyera a todos los dispositivos de memoria de dos terminales no-volátiles basados en la conmutación de la resistencia. Williams argumentó que la MRAM, la memoria de cambio de fase y la RRAM eran tecnologías memristivas. Algunos investigadores argumentaron que las estructuras biológicas como la sangre y la piel se ajustaban a la definición. Otros argumentaron que el dispositivo de memoria en desarrollo por los HP Labs y otras formas de RRAM no eran memristores, sino más bien parte de una clase más amplia de sistemas de resistencia variable y que una definición más amplia de memristor es una apropiación científica injustificable que favoreció las patente del memristor de los HP Labs.
En 2011, Meuffels y Schroeder señalaron que uno de los papeles de los primeros memristores incluían una suposición errónea con respecto a la conducción de iones. En 2012, Meuffels y Soni discutieron algunas cuestiones fundamentales en la realización de los memristores. Indicaron insuficiencias en el modelado electroquímico presentado en artículo de Nature"The missing memristor found" ("Es encontrado el memristor perdido") debido a que el impacto de los efectos de la polarización de concentración en el comportamiento de las estructuras del óxido de titanio bajo estrés de un voltaje o una corriente no se tomó en consideración. Ésta crítica fue mencionada por Valov et al en 2013.
Además, Meuffels y Soni señalaron que las ecuaciones de estado dinámico creadas para un memristor que controlado únicamente por corriente con la llamada propiedad de no-volatilidad viola el principio de Landauer de la cantidad mínima de energía requerida para cambiar estados de "información" en un sistema: Con el fin de exponer la propiedad de no-volatilidad se requiere "que el memristor interno o los estados de información sean separados uno del otro por las barreras de energía libre de Gibbs". Siempre hay un límite inferior de energía necesaria para cambiar un valor de bit en un dispositivo binario. Esta crítica fue adoptada por Di Ventra y Pershin en 2013. El concepto de un memristor controlado exclusivamente por corriente no proporciona un mecanismo físico que permita dicho sistema del memristor para hacer frente a las inevitables fluctuaciones térmicas. Tal sistema puede cambiar erráticamente su estado bajo la sola influencia de ruido en la corriente. Memristores cuyos estados de resistencia (memoria) dependen solamente de la historia de corriente o voltaje, serían capaces de proteger sus estados de memoria contra el inevitable ruido de Johnson-Nyquist, y permanentemente sufrir de pérdida de información, llamada "catástrofe estocástica". Tales memristores previstos no pueden existir en dispositivos de estado sólido en la realidad física.
Otros investigadores observaron que los modelos del memristor basados en la hipótesis de la derivada iónica lineal no tienen en cuenta la asimetría entre el tiempo establecido (de alta a baja la variación de la resistencia) y el restablecimiento del tiempo (variación de resistencia de alta a baja) y no proporcionan valores de movilidad iónica coherentes con los datos experimentales. Se han propuesto modelos de esta derivada para compensar su deficiencia.
Un artículo del 2014 de investigadores de ReRAM (RRAM) concluyó que las ecuaciones del modelo inicial del memristor de Strukov (HP) no reflejan la física del dispositivo actual, mientras que los modelos posteriores (basados en la física) como los modelos de ECM de Menzel (coautor del artículo dicho) o el de Pickett poseen previsibilidad adecuada, pero son computacionalmente prohibidos. A partir del 2014, la búsqueda continua por un modelo que pueda equilibrar estas cuestiones; el artículo identifica los modelos de Chang y de Yakopcic como promesas potenciales.
Martin Reynold, un analista de ingeniería eléctrica, con el equipo de investigación de Gartner, comentó que mientras HP estaba siendo descuidado al llamar a su dispositivo un memristor, los críticos estaban siendo pedantes al decir que no era un memristor.
Pruebas experimentales en memristores Chua sugirió pruebas experimentales para determinar si un dispositivo podría ser categorizado como un memristor:
La curva de Lissajous en el plano de voltaje-corriente es un ciclo de histéresis pellizcado cuando se maneja por cualquier voltaje o corriente periódico bipolar sin tomar en cuenta las condiciones iniciales.
El área de cada lóbulo del ciclo de histéresis pellizcado se encoge cuando la frecuencia de la señal forzada aumenta.
Cuando la frecuencia tiende a infinito, el ciclo de histéresis se degenera hasta ser una línea recta a través del origen, cuya pendiente depende de la amplitud y de la forma de la señal forzada.
De acuerdo con Chua, Todas las memorias de resistencia conmutativas incluyendo ReRAM, MRAM, y memorias de cambio de fase reúnen estos criterios y son memristores. Sin embargo, la falta de datos para la curva de Lissajous sobre un rango de condiciones iniciales o sobre un rango de frecuencias, complica las evaluaciones de esta afirmación.
La evidencia experimental demuestra que la memoria de resistencia de óxido-reducción (ReRAM) incluye un efecto de nanobatería contrario al modelo del memristor de Chua. Esto indica que la teoría del memristor necesita ampliarse o corregirse para permitir el modelado de una ReRAM precisa.
Teoría El memristor fue definido originalmente en términos de la relación funcional no-lineal entre el flujo magnético Φm(t) y la cantidad de carga eléctrica que había fluido, q(t):
El "flujo magnético", Φ m, se generaliza a partir de la característica del circuito de un inductor. No representa un campo magnético en este caso; su significado físico se discute a continuación. El símbolo Φ m puede ser considerado como la integral del voltaje con respecto al tiempo.
En la relación entre Φ m y q (carga eléctrica), la derivada de una con respecto a otra depende del valor de uno o del otro, por lo que cada memristor se caracteriza por su función de memristancia que describe la tasa dependiente de cambio del flujo con respecto a la carga.
Sustituyendo el flujo por la integral del voltaje con respecto al tiempo, y la carga como la integral de la corriente, la forma más conveniente es:
Para relacionar al memristor con un resistor, capacitor e inductor, es de ayuda el aislar el término M(q), que caracteriza al dispositivo, y escribirlo como una ecuación diferencial.