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Elektronik: Neue Bauteile für neue Schaltkreise

Der Memristor ist so etwas wie der verlorene Sohn der klassischen Elektronik: Schon 1971 wurde dieses Bauteil, eine Mischung aus Widerstand und Datenspeicher, in seinen Eigenschaften beschrieben. Während jedoch Widerstände, Schalter und Transistoren in integrierten Schaltkreisen Karriere machten, musste der Memristor bis 2007 auf seine technische Umsetzung warten. Doch jetzt sehen Forscher seine Zeit gekommen. Wissenschaftler der Hewlett-Packard Laboratories in Palo Alto haben demonstriert, dass man mit diesen Elementen neue Arten von Schaltkreisen konstruieren kann.

Memristoren gehören zu einer neuen, begehrten Klasse von Elektronikbauteilen, die Information nicht als Ladung oder Spannung speichert, sondern andere, bisher nicht verwendete Parameter nutzt. In diesem Fall ist das der Innenwiderstand des Memristors selbst, der mit einem geeigneten Spannungspuls von niedrig nach hoch und zurück geschaltet wird. Auf diese Weise kann jedes dieser Bauteile ein Bit kodieren.

Wie die Forscher demonstrieren, kann man mit mehreren Memristoren eine in der Elektronik bisher nicht umgesetzte logische Operation – die materiale Implikation (pIMPq, p → q) – als logisches Gatter darstellen, genauso wie das Nicht-Und-Gatter (NAND), das bereits in transistorbasierten Schaltkreisen verwirklicht ist. Die materiale Implikation ist eine einfache Verknüpfung, die sich umgangssprachlich als "wenn p, dann q" beschreiben lässt. Dazu werden mehrere dieser Memristoren parallel geschaltet und jeweils gleichzeitigen Spannungspulsen ausgesetzt. Wegen der je nach Schaltzustand unterschiedlichen Widerstände können diese Pulse abhängig vom Zustand des Gesamtsystems einzelne Memristoren umschalten oder verschiedene Ausgabewerte erzeugen. Mit geeigneten Anordnungen und Pulsfolgen lassen sich unterschiedliche logische Operationen durchführen und so alternative Schaltkreise entwickeln.

Die Forscher sehen allerdings wenig Sinn darin, mit den bereits weit gehend optimierten klassischen Architekturen zu konkurrieren. Stattdessen sehen sie ihre Arbeit eher als Anstoß, Schaltkreise in Zukunft weniger den Regeln der klassischen logischen Operationen zu unterwerfen, sondern sich stärker an den Eigenschaften und Möglichkeiten neu entwickelter Bauteile zu orientieren. (lf)

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  • Quellen
Stewart, D. et al: 'Memristive' switches enable 'stateful' logic operations via material implication. In: Nature 464, S. 873–876, 2010.

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