In parole povere, i memristore sono resistori dotati di memoria. La resistenza misurata del dispositivo è proporzionale all'ultima carica impartita allo stesso. Leon Chau è stato il primo a esporre il concetto nel 1971 e un dispositivo semiconduttore è stato fabbricato da Stanley Williams presso i laboratori HP Labs nel 2008. I promotori dei memristore affermano che il dispositivo rappresenti una quarta tipologia di componente passivo, andandosi ad aggiungere agli induttori, ai condensatori e ai resistori comuni.
Dunque, come funzionano effettivamente i memristore? Secondo il funzionamento del dispositivo, se la corrente segue una direzione per una quantità di tempo finita, la resistenza diminuisce; se invece il flusso di corrente va nell'altra direzione, la resistenza aumenta. Soprattutto, quando non viaggia più corrente attraverso il dispositivo, questo trattiene il valore della resistenza che aveva in quel momento e lo mostra quando viene applicata di nuovo la tensione.
Dal momento che la resistenza registrata dal memristore non cambia quando la tensione è disattivata, il dispositivo può, effettivamente, fungere da base per i sistemi di memoria non volatile. E, diversamente dai dispositivi di memora odierni, che possono mantenere soltanto uno o due valori (attivo o disattivo),
i memristore possono mantenere una moltitudine di valori della resistenza. Questa proprietà può, quantomeno, fungere da base per un nuovo tipo di dispositivo di memoria. Può anche avere profonde implicazioni per le architetture dei computer futuri.
Costruire memristore
Il dispositivo memristore originale costruito presso Hewlett Packard è stato fabbricato con biossido di titanio in qualità di materiale di "mem-resistenza", ma in molti oggi si servono di altri materiali ossidi per realizzare i dispositivi. La buona notizia è che questo tipo di lavoro può essere effettuato con le stesse apparecchiature e utilizzando gli stessi processi fotolitografici standard attualmente utilizzati a livello globale per realizzare i circuiti integrati, con qualche piccola modifica. Vale la pena notare, inoltre, che i memristore sono già stati implementati accanto ai dispositivi CMOS sullo stesso substrato di silicone.
Nell'immagine che segue è raffigurato il memristore TiO2 di HP, il suo circuito equivalente e il suo simbolo. Vi è una regione altamente resistiva non drogata accanto a una regione drogata e altamente conduttiva. Quando la carica attraversa il dispositivo, le regioni spostano i confini, cambiando la resistenza generale tra i due elettrodi su una delle estremità. Quando la tensione viene disattivata e la carica non viene più impartita, la resistenza generale resta sullo stesso valore. In questo modo il dispositivo funge da memoria analogica oppure può essere usato per memorizzare una resistenza per "1" e un'altra per "0".
Piani per la distribuzione
Il memristore è pubblicizzato come sostituto sia per la DRAM (Dynamic Random Access Memory) che per la memoria flash basata su NAND, che costituisce la base delle drive allo stato solido (SSD). Il punto debole della RAM è che una volta che disattivata l'alimentazione, la memoria (1 o 0) viene persa. La memoria DRAM deve essere aggiornata dai dischi rigidi o dai drive allo stato solido (SSD) all'inizio dell'operazione. La DRAM è veloce, ma i drive allo stato solido (SSD) e i dischi rigidi sono, nelle tempistiche di un computer, abbastanza lenti, comportando così perdite di tempo. I memristore sono più veloci, anche se non ancora veloci quanto la DRAM; si prevede che i dispositivi commerciali futuri garantiranno fattori di impacchettamento migliori rispetto alla DRAM.
A causa di questa confusione tra la linea di memoria volatile e quella non volatile, ci si aspetta che i progettisti di sistemi di computer riconsiderino l'intera questione della memoria in relazione ad altri elementi del sistema. Alcuni sostengono che non ci sarà più bisogno di un disco rigido o di una SSD centrale, ma che programmi attuabili, dati e addirittura le diverse parti del sistema operativo stesso saranno memorizzate in diverse posizioni all'interno del sistema di elaborazione, più in prossimità delle parti con le quali comunicano più intensamente.
Naturalmente, la capacità di memorizzare dati analogici e la distribuzione della memoria suggeriscono agli scienziati l'idea di un cervello vivo; questi scienziati sperano di mettere a punto, un giorno, un computer neuromorfico, ovvero un computer che "pensa" come un cervello vivo. Questi promotori sono rincuorati dallo sviluppo, presso la Northwestern University, di un memristore a "tre terminazioni". La resistenza di questo dispositivo può essere influenzata da più di una fonte. Pertanto, si afferma che questo memristore imiti l'azione dei neuroni, che possono essere attivati da più di un solo altro neurone.
Altri hanno ambizioni più modeste per il futuro prossimo. La legge di Moore è stata fondamentalmente messa da parte dalle realtà della meccanica quantistica. Semplicemente, non sarà possibile conservare un 1 o uno 0 in molto meno spazio dei 10 nanometri o giù di lì che occorrono adesso. Alcuni miglioramenti limitati non sono soltanto possibili, ma molto probabili. Ogni battaglia d'ora in avanti, però, sarà più difficile della precedente e offrirà risultati sempre minori. Questi pianificatori vedono un futuro in cui i memristore sostituiranno la memoria basata su NAND in modo graduale, con cambiamenti all'architettura base che arriveranno in un secondo momento.
Hewlett Packard passa al tutto in uno
Hewlett Packard sta sviluppando un nuovo computer principale intorno al memristor. Conosciuto, almeno per ora, come "The Machine", sostituirà inoltre le fibre ottiche per la maggior parte dei cavi in rame che connettono le parti di questo rivoluzionario computer, al fine di aumentare ulteriormente la velocità di trasferimento dei dati. Per ora, non stiamo mimando un cervello artificiale, ma saranno compiuti molti sforzi per il suo sviluppo; il 75% del personale dei noti laboratori HP Labs sarà impegnato a questa attività.
HP sta sviluppando il proprio linguaggio open source per "The Machine", anch'esso basato su UNIX. Entrambi sfrutteranno, insieme all'architettura di sistema, il fatto che i dati saranno sempre disponibili ai sottosistemi in modo immediato, poiché non occorre aspettare SSD o dischi rigidi. Sfrutteranno anche i cicli di lettura e scrittura più semplici e più corti apprezzati dai memristore, anziché i passaggi lunghi e complessi che i dispositivi di memoria meno recenti devono eseguire per leggere i dati in ingresso o in uscita. E sì, anche se la prima implementazione di questo progetto sarà molto probabilmente un server, è in cantiere anche una versione Android perché HP si aspetta di sviluppare memristore anche per dispositivi mobili.
Secondo HP, uno dei problemi dell'architettura dei computer odierni è il costante passaggio delle informazioni da e verso memorie di cui i dati archiviati hanno attualmente bisogno, oppure ne avranno presto bisogno, o in futuro. "The Machine" eliminerà questa distinzione e non ci sarà più necessità di dischi rigidi o di SSD separati, di una RAM statica e di una RAM dinamica. Tutto quello che "The Machine" dovrà ricordare sarà conservato in un solo tipo di memoria: il memristore.
Tutto sommato, "The Machine" rappresenta un distanziamento radicale dalle architetture di elaborazione alle quali siamo abituati. Il suo successo avrà effetti su larga scala sul futuro dell'elaborazione e resta da vedere se anche gli altri seguiranno le orme di HP.