Memristor: qué es, para qué sirve este dispositivo electrónico, ¿éxito o fracaso?

Actualizado a: 19 de enero de 2024

El memristor es un dispositivo electrónico que se teorizó hace varias décadas, pero que no se hizo posible a nivel práctico hasta hace unos años. HP estuvo muy interesada en este elemento, junto con otras compañías. Pero sin embargo, ahora ya no se habla tanto de él. ¿Qué es? ¿Qué ha ocurrido? ¿Dónde se usa? Todas estas dudas trataré de resolverlas en este artículo…

Los elementos de la cadena

Se teorizó la existencia de otro dispositivo desconocido para muchos y que no ha sido posible durante años, pero que debía completar el diagrama anterior donde se relacionan magnitudes como la intensidad de corriente, el flujo, la carga y el voltaje mediante tres elementos conocidos:

Debes saber que existen dispositivos o elementos eléctricos activos y pasivos. Entre los pasivos tenemos la resistencia, el condensador y la bobina, mientras que entre los activos destacamos el diodo, el transistor, y el SCR (Rectificador Controlado de Silicio).

Resistencia

Una resistencia eléctrica es un dispositivo electrónico pasivo diseñado para limitar o controlar el flujo de corriente eléctrica en un circuito eléctrico. Su función principal es proporcionar una oposición al flujo de electrones, lo que se traduce en una reducción de la intensidad de la corriente eléctrica que pasa a través de ella. Esto se logra mediante la propiedad física de los materiales conductores de ofrecer resistencia al paso de la electricidad, es decir, se buscan materiales con alta resistencia o baja conductividad.

Cada resistencia está diseñadas con un valor de resistencia específico, que se mide en ohmios (Ω). Este valor determina cuánta resistencia ofrecerá la resistencia al flujo de corriente eléctrica. Cuanto mayor sea el valor en ohmios, mayor será la resistencia y, por lo tanto, menor será la corriente eléctrica que pasa a través de ella. Así es como se pueden alterar estos parámetros en los circuitos eléctricos y electrónicos de todo tipo.

Según la Ley de Ohm, R = V / I, es decir, que la resistencia es el voltaje (V o voltios) dividido entre la intensidad (A o amperios). O lo que es lo mismo, V = I · R, o I = V / R. Así es como se relacionan estas unidades…

Las resistencias eléctricas se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, como limitar la corriente en un circuito, dividir el voltaje, ajustar el brillo en una pantalla, filtrar señales eléctricas, y muchas otras. Vienen en diferentes tamaños, formas y valores de resistencia para adaptarse a las necesidades específicas de los circuitos en los que se utilizan. Por ejemplo, las puedes encontrar en PCBs de ordenadores, dispositivos móviles, TVs, electrodomésticos, etc.

Condensador

Un condensador eléctrico es un dispositivo pasivo utilizado en circuitos eléctricos y electrónicos para almacenar y liberar carga eléctrica. Su función principal es almacenar energía en forma de campos eléctricos. Para ello, consiste en dos placas conductoras separadas por un material dieléctrico (un material no conductor que aísla eléctricamente las placas entre sí).

Cuando se aplica un voltaje a través de las dos placas del condensador, se acumula una carga eléctrica en ellas. Cuanto mayor sea la tensión aplicada o la superficie de las placas, mayor será la cantidad de carga almacenada. El valor de esta carga se mide en faradios (F), es decir, Culombio/Voltio (C/V). Los condensadores pueden tener capacidades que van desde fracciones de microfaradios (μF) hasta valores muy altos, dependiendo de su aplicación.

Los condensadores se utilizan en una variedad de aplicaciones, al igual que las resistencias. Entre ellas están los filtros de señal, almacenamiento de energía, temporizadores, acoplo de señales, corrección del factor potencia, etc. Por ejemplo, los puedes ver cerca de la CPU o GPU, ya que son elementos que consumen bastante energía y tienen que mantener siempre un voltaje de alimentación. Ellos almacenarán este voltaje para una alimentación adecuada… También los verás presentes en otros muchos PCBs, como TVs, móviles, y un largo etc.

Inductor

Un inductor eléctrico, también conocido como reactor o bobina, es un dispositivo pasivo utilizado en circuitos eléctricos y electrónicos para almacenar energía en forma de campo magnético. Su función principal es oponerse a cambios en la corriente eléctrica, lo que da como resultado la acumulación de energía en un campo magnético. Los inductores están compuestos por una bobina de alambre conductor (generalmente cobre) enrollada en un núcleo, que puede ser de aire, hierro u otro material ferromagnético.

Cuando una corriente eléctrica fluye a través de la bobina del inductor, crea un campo magnético alrededor de la bobina. Este campo magnético almacena energía en forma de energía magnética. Cuanto mayor sea la corriente que fluye a través del inductor y cuanto más enrollamientos tenga la bobina, mayor será la cantidad de energía almacenada en el campo magnético. La capacidad de almacenar energía en un inductor se mide en henrios (H), que equivalen a Weber/Amperio (Wb/A).

Los inductores tienen varias aplicaciones en la electrónica, como los dos anteriores dispositivos, y los encontrarás en circuitos que contengan filtros, conversores de energía, protección, etc. Por ejemplo, son habituales en algunos cargadores, en las fuentes de alimentación, etc.

¿Qué es el memristor? El eslabón perdido

Memristor (M) proviene de la combinación de la palabra «memoria» y «resistor». Es un componente eléctrico de dos terminales no lineal que relaciona la carga eléctrica y la vinculación del flujo magnético. Es decir, se mide en ohmios, o lo que es lo mismo, en Weber/Culombio (W/C). De este modo, el M cierra el círculo como el eslabón perdido, junto con el I, R y C que he descrito en los apartados anteriores.

Fue descrito y nombrado por primera vez en 1971 por Leon Chua, completando un cuarteto teórico de componentes eléctricos fundamentales, que mostré en una imagen anteriormente.

Posteriormente, Chua y Kang generalizaron el concepto a sistemas memristivos. Un sistema de este tipo consta de un circuito compuesto por múltiples componentes convencionales que imitan propiedades clave del componente ideal memristor y también se conoce comúnmente como memristor. Se han desarrollado varias tecnologías de sistemas memristor, como puede ser la ReRAM.

Un poco de historia

El memristor es un dispositivo que ha necesitado bastante tiempo. Un precursor del concepto de memristor se remonta a experimentos realizados por Sir Humphry Davy en 1808. Sin embargo, el término «memistor» (memoria resistiva) fue acuñado por Bernard Widrow en 1960 para describir un elemento de circuito en una red neuronal artificial temprana llamada ADALINE.

En 1968, Argall publicó investigaciones sobre efectos de conmutación de resistencia en el TiO2, que investigadores posteriores de Hewlett Packard (HP) afirmaron como evidencia de un memristor. Y en 1971, Leon Chua postuló el memristor como un nuevo elemento de circuito de dos terminales, caracterizando su relación entre carga y vinculación de flujo como el cuarto elemento fundamental de circuito.

En 2008, se identificó un vínculo entre el comportamiento de conmutación de resistencia de dos terminales en sistemas a escala nanométrica y los memristores en un artículo para la prestigiosa revista Nature y creado por los investigadores Strukov, Snider, Stewart y Williams. En 2009, Di Ventra, Pershin y Chua extendieron el concepto de sistemas memristivos a elementos capacitivos e inductivos, como capacitores e inductores.

En 2014, el grupo MeMOSat/LabOSat colocó dispositivos de memoria en órbita terrestre baja para experimentos a bordo de los satélites Ñu-Sat de Satellogic. Mientras que un año después, Knowm Inc introdujo comercialmente memristores de Canal Autodirigido (SDC) disponibles en pequeñas cantidades.

En 2018, se lanzó MemSat (Satélite Memristor) para evaluar la tecnología de memristor en el espacio. Y recientemente, en 2021, Jennifer Rupp y Martin Bazant del MIT iniciaron un programa de investigación llamado «Lithionics» para explorar aplicaciones del litio, incluidos los memristores basados en óxido de litio, en la informática neuromórfica.

Además, a lo largo de esta historia, se han hecho multitud de experimentos con varios materiales con estas capacidades memristivas, incluso se ha llegado a proponer la sangre como medio para implementar memristores…

Dispositivos de derivados

Por otro lado, hay que decir que han surgido algunos dispositivos derivados del memristor inicial, como son:

• Memistor y memtransistor: son dispositivos basados en transistores que incluyen la función de memristor.
• Memcondensadores y meminductores: en 2009, Di Ventra, Pershin y Chua extendieron la noción de sistemas memristivos a elementos capacitivos e inductivos en forma de memcondensadores y meminductores, cuyas propiedades dependen del estado y la historia del sistema. Esta extensión fue ampliada en 2013 por Di Ventra y Pershin.
• Memfractancia y memfractor, memristor de 2º y 3º generación, memcondensador y meminductor: a finales de 2014, Mohamed-Salah Abdelouahab, Rene Lozi y Leon Chua publicaron una teoría general de elementos memristivos de 1º, 2º, 3º y enésimo orden utilizando derivadas fraccionarias.

Implementaciones y materiales

Existen varios tipos de memristores, es decir, varios materiales con los que se pueden implementar, destacando los siguientes:

• Memristor de dióxido de titanio: es un dispositivo de estado sólido que mostró un resurgimiento del interés cuando R. Stanley Williams de Hewlett Packard lo informó en 2007. Este dispositivo difiere de la teoría original del memristor ya que no utiliza flujo magnético ni almacena carga como un condensador, sino que su resistencia depende de la historia de la corriente eléctrica que ha pasado a través de él. Está compuesto por una fina película de dióxido de titanio entre dos electrodos, donde los vacíos de oxígeno actúan como portadores de carga y cambian la resistencia en función de la cantidad de carga que ha pasado a través de ellos. Aunque no se mencionó en los informes iniciales de HP sobre su memristor de TiO2, las características de cambio de resistencia del dióxido de titanio se describieron originalmente en la década de 1960. El dispositivo de HP demostró la capacidad de operar en tiempos de conmutación muy rápidos (1 ns) y tamaños extremadamente pequeños (3×3 nm), lo que sugiere un futuro prometedor para esta tecnología en aplicaciones de memoria y almacenamiento, compitiendo con las tecnologías de memoria flash actuales.
• Dióxido de silicio: aunque parece que la memristancia se registró en películas delgadas a nanoescala realizadas con dióxido de silicio desde la década de 1960, no se asoció el efecto memristivo con la conductancia en silicio hasta 2009. En ese año, Tony Kenyon y su grupo demostraron claramente que el cambio de resistencia en películas delgadas de óxido de silicio se debe a nanoinclusiones de silicio en fases de subóxido altamente no estequiométricas.
• Polímero: en 2004, Krieger y Spitzer mejoraron las características de conmutación y retención en células de memoria no volátil utilizando materiales poliméricos e inorgánicos similares a dieléctricos. Introdujeron una capa pasiva que mejoró la extracción de iones del electrodo, lo que permitió una reducción significativa del campo de extracción iónica. Muchos de ellos con capacidades para el aprendizaje y las redes neuronales.
• Capa: en 2014, Bessonov y colaboradores presentaron un dispositivo memristor flexible que consta de una heteroestructura MoOx/MoS2 atrapada entre electrodos de plata en una lámina de plástico. El proceso de fabricación se basa completamente en tecnologías de impresión y procesamiento de soluciones utilizando dicalcogeniuros de metales de transición bidimensionales (TMD). Los memristores son flexibles mecánicamente, ópticamente transparentes y se producen a bajo costo.
• Atomristor: se define como dispositivos eléctricos que muestran un comportamiento memristivo en nanomateriales o láminas atómicas extremadamente delgadas. En 2018, la Universidad de Texas informó por primera vez un efecto memristivo universal en láminas atómicas de TMD de una sola capa basado en una estructura de dispositivo metal-aislante-metal (MIM) vertical. Se demostró un interruptor de RF de alto rendimiento sin consumo de energía basado en «atomristors» de MoS2 o h-BN, lo que indica una nueva aplicación de los memristores para sistemas de comunicación y conectividad de 5G, 6G y THz.
• Ferroeléctrico: se basa en una fina barrera ferroeléctrica colocada entre dos electrodos metálicos. Cambiar la polarización del material ferroeléctrico mediante la aplicación de un voltaje positivo o negativo a través de la unión (véase Tunnel Electro-Resistance). En general, la polarización no cambia abruptamente, sino que la reversión ocurre gradualmente a través de la nucleación y el crecimiento de dominios ferroeléctricos con polarización opuesta.
• Nanotubos de carbono: en 2013, Ageev, Blinov y otros informaron la observación del efecto memristor en una estructura basada en nanotubos de carbono alineados verticalmente, estudiando haces de nanotubos de carbono mediante un microscopio de efecto túnel. Después hubo otros estudios para mejorar esta tecnología.
• Biomolecular: los biomateriales han sido evaluados para su uso en sinapsis artificiales y han demostrado potencial para aplicaciones en sistemas neuromórficos. Con ello se han conseguido crear biosensores.
• Canal autodirigido: en 2017, Kris Campbell introdujo formalmente el memristor de canal autodirigido (SDC, por sus siglas en inglés). El dispositivo SDC es el primer memristor disponible comercialmente para investigadores, estudiantes y entusiastas de la electrónica en todo el mundo. Este dispositivo es operativo inmediatamente después de su fabricación. El SDC utiliza una capa activa de Ge2Se3, donde se encuentran enlaces homopolares Ge-Ge y ocurre el cambio. Tres capas conformadas por Ge2Se3/Ag/Ge2Se3, justo debajo del electrodo de tungsteno superior, se mezclan durante la deposición y forman conjuntamente la capa de origen de plata. Una capa de SnSe se encuentra entre estas dos capas para garantizar que la capa de origen de plata no esté en contacto directo con la capa activa.
• Sistemas basados en Spin: existen varios tipos de estos sistemas, como pueden ser:
  • Spintronic: Chen y Wang, investigadores de Seagate Technology, fabricante de discos duros, describieron tres ejemplos de posibles memristores magnéticos. En uno de los dispositivos, la resistencia ocurre cuando el espín de los electrones en una sección del dispositivo apunta en una dirección diferente a la de otra sección, creando una «pared de dominio», una frontera entre las dos secciones. Los electrones que fluyen hacia el dispositivo tienen un cierto espín, lo que altera el estado de magnetización del dispositivo. Cambiar la magnetización, a su vez, mueve la pared de dominio y cambia la resistencia.
  • Unión Túnel Magnético: se ha propuesto como un memristor a través de varios mecanismos potencialmente complementarios, tanto extrínsecos (reacciones redox, captura/liberación de carga y electromigración dentro de la barrera) como intrínsecos (torque de transferencia de espín).
  • Mecanismo extrínseco: entre 1999 y 2003, Bowen y otros realizaron experimentos en una unión túnel magnético (MTJ) con estados de espín dependientes del estado estables (conmutación resistiva). La MTJ consiste en una barrera de túnel SrTiO3 (STO) que separa electrodos de óxido semimetálico LSMO y metal ferromagnético CoCr. Los estados de resistencia usuales de la MTJ, caracterizados por una alineación paralela o antiparalela de la magnetización del electrodo, se alteran al aplicar un campo eléctrico. Cuando el campo eléctrico se aplica desde el electrodo CoCr al electrodo LSMO, la relación de magnetorresistencia túnel (TMR) es positiva. Cuando se invierte la dirección del campo eléctrico, la TMR es negativa.
  • Mecanismo intrínseco: el estado de magnetización de una MTJ puede controlarse mediante el torque de transferencia de espín y, por lo tanto, a través de este mecanismo físico intrínseco, puede mostrar un comportamiento memristivo. Este torque de espín es inducido por la corriente que fluye a través de la unión y permite lograr una MRAM eficiente.
  • Sistema de espín: se ha propuesto un mecanismo fundamentalmente diferente para el comportamiento memristivo, basado en el espín de electrones en estructuras spintrónicas semiconductores. Este mecanismo se basa en la difusión y los procesos de relajación del espín electrónico que causan histéresis cuando se cambia un parámetro de control externo, como el voltaje. Esto amplía las posibles aplicaciones de la spintrónica semiconductora y avanza en las futuras aplicaciones prácticas.

Críticas del memristor

La identificación de propiedades memristivas en dispositivos electrónicos ha generado controversia. Experimentalmente, aún no se ha demostrado la existencia del memristor ideal.

En 2008, un equipo en HP Labs encontró evidencia experimental del memristor de Chua basado en un análisis de una película delgada de dióxido de titanio, conectando así el funcionamiento de los dispositivos ReRAM con el concepto de memristor. Según HP Labs, el memristor operaría de la siguiente manera. La resistencia eléctrica del memristor no es constante, sino que depende de la corriente que había circulado previamente por el dispositivo, es decir, su resistencia actual depende de cuánta carga eléctrica ha circulado previamente a través de él y en qué dirección. Dicho de otro modo, el dispositivo recuerda su historial, lo que se conoce como propiedad de no volatilidad. Cuando se apaga la alimentación eléctrica, el memristor recuerda su resistencia más reciente hasta que se vuelve a encender.

Los resultados de HP Labs fueron publicados en la revista científica Nature, y se dijo que se podrían comercializar chips con memristores en 2018, según Martin Fink, director de tecnología de HP. Tras esta afirmación, Leon Chua argumentó que la definición de memristor podría generalizarse para incluir todas las formas de dispositivos de memoria no volátil de dos terminales basados en efectos de conmutación de resistencia. Chua también argumentó que el memristor es el elemento de circuito más antiguo conocido, con sus efectos anteriores al resistor, el condensador y el inductor. Sin embargo, existen dudas sobre si un memristor genuino puede existir en la realidad física, y algunas evidencias experimentales contradicen la generalización de Chua.

Estos dispositivos están destinados a aplicaciones en dispositivos de memoria nanoelectrónica, lógica de computadora y arquitecturas de computadora neuromórfica/neuromemristiva.

Aplicaciones del memristor

Los memristores siguen siendo un dispositivo de laboratorio y aún no se producen en cantidades suficientes para tener aplicaciones comerciales significativas. A pesar de esta falta de disponibilidad masiva, según Allied Market Research, el mercado de los memristores valía 3.2 millones de dólares en 2015 y se espera un incremento esponencial para los próximos años.

Una aplicación potencial de los memristores es en memorias analógicas para supercomputadoras y ordenadores cuánticos. Los memristores pueden ser potencialmente utilizados para crear memorias sólidas no volátiles, lo que podría permitir una mayor densidad de datos que los discos duros con tiempos de acceso similares a la RAM, reemplazando ambos componentes. HP ya demostró un chip prototipo de memoria que conseguía una capacidad de 100 Gb de almacenamiento y velocidades de aproximadamente una décima parte de la velocidad alcanzada por la DRAM. Además, conseguía una mejor eficiencia energética.

Los memristores también tienen aplicaciones en lógica programable, procesamiento de señales, imágenes de superresolución, redes neuronales físicas, sistemas de control, cómputo reconfigurable, cómputo en memoria, interfaces cerebro-ordenador y RFID. Sin embargo, aún no están preparados para sustituir a los actuales chips CMOS.

En 2009, se utilizó un circuito electrónico simple que consta de una red LC y un memristor para modelar experimentos sobre el comportamiento adaptativo de organismos unicelulares. Se demostró que, sometido a un tren de pulsos periódicos, el circuito aprende y anticipa el próximo pulso, lo que podría emplearse en aplicaciones de reconocimiento de patrones.

También hemos visto algunos modelos de red neuronal a gran escala que implementa circuitos cerebrales completos para alimentar a un agente virtual y robótico utilizando hardware memristivo. Incluso, en 2011, se mostró cómo se pueden combinar las tramas cruzadas de memristores con lógica difusa para crear un sistema de cómputo neuro-difuso memristivo analógico con terminales de entrada y salida difusas. El aprendizaje se basa en la creación de relaciones difusas inspiradas en la regla de aprendizaje de Hebb…