Passives elektrisches Bauelement Was ist ein Memristor?

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Ein Memristor ist ein passives elektrisches Bauelement, dessen elektrischer Widerstand einstellbar ist und von der Menge der zuvor hindurchgeflossenen Ladung abhängt. Da der eingestellte Widerstandswert ohne angelegte Spannung erhalten bleibt, ist der Memristor prinzipiell auch als Speicherelement nutzbar. Sein Einsatz wird beispielsweise als Ersatz von Flash-Speicher oder im KI-Bereich diskutiert.

Der Begriff Memristor setzt sich aus den beiden englischen Wörtern memory („Speicher“, „Gedächtnis“) und resistor („elektrischer Widerstand“) zusammen. Es handelt sich um ein passives elektrisches Bauelement, das von dem Elektronik-Professor Leon Chua an der University of California in Berkeley im Jahr 1971 erstmals theoretisch beschrieben wurde. Der Memristor harmonisiert die mathematischen Zusammenhänge zwischen Strom, Spannung und Ladung und wurde von Leon Chua neben Widerstand, Spule und Kondensator als ein viertes fundamentales elektrisches Schaltungselement postuliert.

Der elektrische Widerstand eines Memristors ist veränderbar und lässt sich über die zuvor hindurchgeflossene Ladung einstellen. Eingestellte Widerstandswerte bleiben auch ohne angelegte Spannung erhalten.

Erste Prototypen und Muster von Memristoren entstanden erst ab dem Jahr 2007. Unter anderem beschäftigen sich Forscher von Hewlett Packard Enterprise seit 2008 intensiv mit Memristoren, die für den HPE-Supercomputer mit der Bezeichnung „The Machine“ verwendet werden sollten. HPE entwickelte einen Prototyp eines Memristors, der aus zwei nur wenige Nanometer dicken Schichten Titandioxid (TiO2) zwischen Platinkontakten besteht, von denen eine TiO2-Schicht mit Sauerstofffehlstellen dotiert ist.

Bis heute werden Memristoren allerdings vor allem in der Forschung, für Prototypen oder für Nischenanwendungen und nicht in großem Stil für kommerzielle Anwendungen eingesetzt.

Einsatzmöglichkeiten von Memristoren

Durch ihre besonderen Eigenschaften bieten Memristoren zahlreiche Einsatzmöglichkeiten. Da sie Informationen in Form von Widerständen nichtflüchtig speichern können, bieten sie sich nicht nur als Bauelemente in elektronischen Schaltungen, sondern auch als Speicherelemente an. Sie sind beispielsweise eine Alternative zu DRAM, NVRAM oder Flash-Speicher (NAND-Flash). Ihre Vorteile gegenüber herkömmlichen Speicherchips sind die geringe Stromaufnahme, die schnellen Zugriffszeiten, die hohe Lebensdauer, die Multi-Bit-Fähigkeit, ihr sowohl analoger als auch digitaler Betrieb und ihre hohen realisierbaren Packungsdichten.

Grundsätzlich ist der Einsatz von Memristoren auch als Ersatz von Transistoren und im Bereich der programmierbaren Logik möglich. In jüngster Vergangenheit wird der Einsatz von Memristoren im KI-Bereich für künstliche neuronale Netzwerke diskutiert. Dort könnten sie als sogenannte Neuristoren ähnlich wie biologische Synapsen eines Gehirns funktionieren.

Weitere denkbare Einsatzbereiche sind neuromorphe Chips, die elektronische Signalverarbeitung oder das In-Memory-Computing (IMC). Beim In-Memory-Computing werden Berechnungen auf denselben Chips durchgeführt, auf denen die Daten gespeichert werden. Memristoren könnten das in heutigen Computerarchitekturen übliche Verschieben zwischen flüchtigem und nichtflüchtigem Memory überflüssig machen und leistungsfähigere, energieeffizienter arbeitende Computer ermöglichen.

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