Elektroniğin
3 temel elemanı vardır: Direnç, kapasitör (kondansatör) ve indüktör… 1971′de
California Üniversitesi’nden Leon Chua adında bir mühendis, bu ailenin kayıp bir üyesinin daha olduğuna ilişkin kimi kuramsal öngörülerde bulunmuştu. Her ne kadar nasıl bulacağını bilmese de Chua bu “dördüncü element’in adını da koymuştu: Memristor. İngilizce “memory resistor” sözcüklerinden kısaltılarak oluşturulan bu ad, kuramsal olarak ileri sürülen aygta çok uyuyordu. Aradan 37 yıl geçti, mühendislerin çabaları bu öngörüyü doğruladı. Geçtiğimiz aylarda HP’den bir grup araştırmacı memristorun gizini açığa çıkaracak keşiflerini duyurdu ve bu buluşlarını da ünlü Nature dergisinde yayımladı. Memristorun mucitlerine göre buluşun hem kısa hem de uzun vadede küçük bilgisayar
elemanlarından sinir ağlarına kadar birçok alanda uygulaması olacak.
Memristorun öyküsü 37 yıl öncesine dayanıyor. O zamanlar da bugün olduğu gibi elektrik
mühendislerinin elinde üç adet edilgen temel devre elemanı vardı; elektrik yükünü toplayan kapasitör, elektrik akımına karşı direnç gösteren direnç ve
kımı manyetik alana çeviren indüktör. Tüm elektronik hala bu elemanlara
dayanıyor aslında. Ancak 1971′de doğrusal olmayan devre kuramının öncülerinden Leon Chua, bu elemanlardaki yük ve akı arasındaki ilişkiyi incelerken,
memristoru, yani dördüncü elemanı öne sürdü. Leon Chua, ünlü memristor
makalesini yayımladığında, Berkeley Elektrik Mühendisliği Bölümü’ndeki görevine
henüz başlamıştı. Makalesinin başlığı “Kayıp Devre Elemanı: Memristor” idi. Chua,
makalesinde direnç, kapasitor ve indüktör gibi temel devre elemanlarına benzer,
iki terminalli, “kayıp” bir elemanın olduğuna ilişkin kanıtlar sunuyordu. Bir
direncin gerilimle akım arasındaki ilişkiyi vermesi gibi, memristorun de benzer
bir bağıntıyı manyetik akı ile yük arasında vereceğini söylüyordu. Bunun anlamı, memristorun aslında içinden geçen akıma bağlı olarak değeri değişen bir direnç gibi davranacağıydı. Ancak memristor akım geçip gittikten ve bittikten sonra dahi bu değeri aklında tutabiliyordu.
Bugün geriye
dönüp baktığında Chua şöyle diyor: “Elektronik kuramcıları yıllardır yanlış
değişken çiftini, yani gerilim ve yükü kullanıyorlardı. Oysa elektronik
kuramının kayıp bölümü yük ile akı çiftiydi. Durum aslında Aristo’nun hareket
yasasına benziyor; o da yanlıştır, çünkü kuvvetin hızla orantılı olması
gerektiğini söyler. Bu yasa 2000 yıl boyunca insanları yanılttı, ta ki Newton
çıkıp Aristo’nun yanlış değişkenleri kullandığını söyleyene kadar. Newton,
kuvvetin hızla değil, hızdaki değişimle, yani ivmeyle orantılı olduğunu
söylemişti. Tam da günümüzdeki elektronik devre kuramındakiyle aynı durum. Tüm
elektronik ders kitapları yanlış değişkenleri (gerilim ve yük) kullanmayı
öğretiyor ki bu da kimi belirsizliklei ve tuhaflıkları açıklayamıyor. Oysa
öğretmeleri gereken, gerilimdeki ya da akıdaki değişim ile yük arasındaki
bağıntı”. Memristorun, devre tasarımı arenasına girmesini aslında bir anlamda
periyodik tabloya yeni bir elementin girmesine benzetiyor şimdi Chua. Hatta ona
göre tüm elektronik mühendisliği ders kitaplarının değişmesi gerekiyor!
Chua, dört temel devre
değişkenini (akım, gerilim, yük ve manyetik akı) çiftler halinde birbirine
bağlayan 6 değişik matematiksel bağıntı olduğunu söylemişti. Bu bağıntılardan
birisi öteki iki değişkenin tanımından belirlenebiliyor (yük, akımın zamana göre
türevi alınarak elde ediliyor) ve bir başkasıysa Faraday’ın indüksiyon
yasasından bulunuyor (akı, gerilimin zamana göre türevi alınarak bulunabiliyor).
Dolayısıyla kalan bağıtıların belirlediği dört temel eleman olmalı. işte
memristorda, Chua’ya göre bir memristans, (İngilizce: “memory resistance”
sözcüklerinden geliyor) yani bellek direnci bulunmalı. M harfiyle gösterilen bu
direnç, yani memristans yük ve akı arasındaki dФ = Mdq bağıntısıyla ifade
ediliyor.
Memristans aslında bir
elektronik bileşeninin temel özelliği. Eğer elektrik yükü bir devre boyunca bir
yönde akarsa devrenin o bileşeninin direnci artacaktır ve eğer elektrik yükü
devrede ters yönde akarsa, direnç düşecektir. Uygulanan gerilimi kesip yük akışı
durdurulursa, bileşen daha önce taşıdığı direnci “hatırlayacak” ve yük akışı
yeniden başladığında devrenin direnci en son hatırladığı halinden başlayacaktır.
İdeal
bir memristor, memristans özelliğini ifade etmek için yapılmış, edilgen,iki
terminalli bir elektronik aygıt. Ancak pratikte saf bir memristor yapmak çok
zor, çünkü her aygit çok az da olsa bir başka özellik taşıyor. Örneğin,tüm
indüktörler dirence sahipler, benzer şekilde memristorun da kapasitansı var.
1971′de
anılmaya başlanan bu kuramsal aygıt, yıllarca kâğıt üzerinde matematiksel bir
oyuncak olarak kalmıştı. Aradan 35 yıl geçtikten sonra, HP’den Stanley Williams
ve grubu moleküler elektronik üzerine çalışırlarken yaptıkarı bir aygıtın tuhaf
davranışlarını fark ettti. Sonra ekipten Greg Snider, Chua’nın 1971′deki
çalışmasını buldu. Willliams birkaç yıl boyunca Chua’nın makalesini tekrar
tekrar okudu ve bir süre sonra buldukları moleküler aygıtın aslında, yıllar önce
Chua’nın söylediği memristor olduğunu fark etti.
Chua’nın,
memristor gibi bir elemanın çok sayıda ilginç ve değerli devre özelliği olduğunu
göstermesine karşın, HP grubunun bu çalışmasına kadar kimse kullanışlı fiziksel
bir modelini geliştirememişti. Nature dergisindeki makalelerinde Williams ve
ekibi, memristorun özellikle nano ölçekteki sistemlerde doğal olarak kendini
gösterdiğini söylüyor. Bu da şimdiye değin kimsenin onu neden fark edemediğini
açıklıyor
Dirençler ve memristorlar, bellek direncine sahip
sistemler olarak tanımlanan çok daha genel bir dinamik aygıtlar sınıfının alt
gruplarıdır. R, C, L ve M, tanımlandıkları denklemler içerisinde bağımsız
değişkenlerin fonksiyonları olabilirler. Örneğin elektrik yüküne bağlı bir
memristor tek değerli bir M(q) fonksiyonu ile tanımlanabilir. Burada R direnç,C
kapasitans, L İndüktans ve M Memristans, yani bellek direncidir.
AKLIMDA
Memristorun
öteki temel devre elemanlarından en önemli farkı, geçmişindeki belleği de
taşıyor olması ve unutmaması. Devrenin gerilimini kestiğinizde memristor ne
kadar gerilim uygulandığını ve ne kadar süreyle uygulandığını hatırlamayı
sürdürüyor. Bu özelliği, öteki üç temel elemanın bir araya getirilecek herhangi
bir kombinasyonuyla yapmanın olanağı yok. Zaten bu nedenle memristor dördüncü ve
ayrı bir devre elemanı olarak anılıyor.
Memristorun
temelinde yatan ‘bellek direnci’ kavramı ilginç bir olgu. Direnç, içinden su
geçen bir hortuma benzetilebilir. Hortumun iç çapının büyüklüğü suyun akışına
karşı direncini de belirler. Çap ne kadar darsa hortumun suya karşı direnci de o
kadar büyük olacak, genişledikçe direnci azalacak ve su hem daha çok hem de daha
rahat akacaktır. Normal dirençlerde bu hortumun iç çapı değişmez. Ancak
memristorda durum farklı; içinden geçen suyun miktarına bağlı olarak genişliyor
ya da daralıyor. Eğer suyu hortumun içinden tek bir yönde akıtırsanız hortumun
iç çapı genişliyor, yani direnci azalıyor ve bununla da yetinmeyip bir de bunu
unutmuyor, belleğinde tutuyor. Suyun akışını kestiğinizdeyse, hortumun bu
genişlemiş hali değişmiyor, yani geriye dönüş yok, en son ne kadar akım geçmiş
ve ona göre biçim almışsa o durumda kalıyor.
Memristorun
belleğinin yardımı olacağı epey alan var: Örneğin herhangi bir nedenle yeniden
başlatılmak zorunda kalınan bilgisayarlar. Çalışmakta olan bir bilgisayarın
yeniden başlatılması durumunda, kapanmadan önceki bilgi uçup gidiyor. Ancak
memristor, gerilimi anımsayabildiğinden, memristorlü bir bilgisayarda böyle
sorunlar olmayacakmış gibi görünüyor. “Tüm Word belgelerinizi, Excel
dosyalarınızı açık bırakıp bilgisayarınızı kapatabilirsiniz. İster bir fincan
kahve almaya gidin, isterseniz iki haftalığına tatile çıkın” diyor Williams,
“Döndüğünüzde bilgisayarınızı açın, her şey bıraktığınız gibi olacak”.
Peki, neden
kimse bellek direnci görmüyor? Chua aslında ortaya attığı kavramı kanıtlamak
için 1970′li yıllar da, kaba saba da olsa bir memristor üretmişti. Chua’nın
memristoru dirençler, kapasitörler, indüktörler ve yükselteçlerin bir
kombinasyonundan oluşuyordu. Ancak bellek direnci, bir malzemenin özelliği
olarak, yakın zamana kadar kullanılamayacak, hatta fark edilemeyecek kadar
zayıftı. Chua da o zamanlar fark edememişti. Bellek direnci, malzemenin öteki
özelliklerinin arasında kaybolmuş sayılırdı; yalnızca malzemeye ya da aygıta
nano ölçekte baktığınızda fark edebileceğiniz bir özellikti.
Kimse de bu zamana değin
bakmamıştı ve böyle bir şey yokmuş gibi davranılmıştı. Bir şeyin yokluğundan
haberdar değilseniz, zaten ona gereksiniminiz yok demektir. Dolayısıyla hiçbir
mühendis de çıkıp “keşke elimde bir memristor olsaydı da şöyle yapsaydım”
dememişti. Hatta yıllardır devre tasarımı dersi veren akademisyenlerin çoğu bir
kaç hafta öncesine kadar bu sözcüğü duymamıştı bile.
Williams’a
göre memristor neredeyse 50 yıldır bir yerlerde kendisini gösterip durmuş.
Literatürde, akım-gerilim karakteristiği garip olan birçok makaleye rastladığını
ve o makaleleri alıp incelediğini söylüyor ve ekliyor “Evet, bellek direnciydi
bunlar ama nasıl yorumlayacaklarını bilememişler”.
Williams
ayrıca Chua’nın devre denklemleri olmadan işlerin çok zor olduğunu da söylüyor
ve “Komik bir durum, insanlar tüm yanlış devre denklemlerini kullanıyorlardı.
Bu, bir çamaşır makinesinin motorunu alıp benzinli bir otomobile takıp neden
çalışmadığını anlayamamaya benziyor”. diyor.
Williams ve
ekibi ideal memristoru, titanyum dioksitte (TiO2) bulmuş. Silikon
gibi, titanyum dioksit de bir yarı iletken ve saf durumdayken direnci hayli
yüksek. Ancak başka elementlerin yardımıyla iletken hale getirilebiliyor. TiO2
‘yi iletken hale getirmek için kullanılan katkı elementleri şiddetli bir
elektrik alanının altında kararlı olamıyorlar ve akım doğrultusunda sürüklenme
eğiliminde oluyorlar. Bu hareketlilik aslında transistorlar için pek zararlı bir
şey olmasına karşın, memristoru çalıştıran şeyin ta kendisi. Bir yüzünde katkı
elementlerinin olduğu ince bir TiO2 katmanına bir başlangıç gerilimi
uygulanması bu elementlerin saf Ti02 bulunan öteki yüze doğru hareket
etmesine neden olacak ki bu da direnci düşürecek. Ters yönde bir akım
uygulanmasıyla da elementler yerleri ne geri dönecek ve bu da direnci yeniden
artıracak.
Williams ve
ekibinin yaptığı şuydu: Üç nanometre (bir nanometre, bir metrenin milyarda
biridir) kalınlığında bir Ti02 katmanını iki platin katman arasına
yerleştirdiler. Ti02 katmanının bir bölümünde, normalde oksijen atomlarının
olması gerektiği artı yüklü boşluklar vardı. Ekip bu boşluklara yakın bir
elektroda alternatif akım uygulayarak elektrodun artı ve eksi yük şeklinde
salınmasını sağladı. Elektrot artı yüklüyken yüklü boşlukları ittiriyor ve
akımın ikinci elektroda doğru akmasını sağlıyordu. Akımı kestiklerindeyse
boşluklar hareket etmeyi bırakıyor ve memristorun yüksek ya da düşük dirençli
halinde kalmasını sağlıyordu.
HP
laboratuarları şimdi Ti02 ve başka malzemelerden nasıl memristor
üretebileceğinin yollarını ararken bir yandan da memristorun arkasındaki fiziği
anlamaya uğraşıyor. Ayrıca bir başka grup da aynı yonga üzerine hem memristor
hem de silikon devreleri nasıl yerleştirebileceklerini bulmaya çalışıyor. HP’
deki grubun elinde melez bir CMOS memristor yongası var ve laboratuvarlarındaki
test aletinin üzerine “oturmuş” durumda. Bu alet testleri geçerse, yenilerinin
yola çıkması hiç de gecikmeyecek.
Memristoru
yaratan HP araştırmacıları, memristorlar ve bu tür aygıtlar için öncelikle iki
uygulama görmüş. Birincisi, adının da ima ettiği gibi, kalıcı bir bellek. Böyle
bir belleğin, örneğin elektrik kesilse bile veriyi unutmamak gibi, yararlı
özellikleri var. Bunlar manyetik disklerden 1000 kat daha hızlı olacak ve çok
daha az güç harcayacak.
Memristorlara
dayalı bellekler için dünyanın birçok yerinde araştırmacılar çalışıyor; yani
bellek çubuklarına ciddi bir rakip geliyor. İşin en iyi yanı, bellek işlevi
göreceği düşünülen birçok metal oksit var; bunlar da şimdiki yonga üretim
fabrikalarında işlenip üretilmeye çok uygun. Dolayısıyla pek değişiklik yapmadan
ya da yepyeni yatırımlara gerek kalmadan memristor üretimi kolaylıkla
yapılabilecek.
Başka bir
ilginç. uygulama da yapay sinaps Chua ilk makalelerinde sinapslarla önerdiği
memristorlar arasındaki ilişkiye işaret etmiş ve bu konuyla ilgili birçok da
araştırma yapmıştı. Bu da ilginç ve gelecek vaat eden değerli bir çalışma alanı
gibi görünüyor. Williams da zaten amaç yapay sinir sistemi kurmak olan birçok
nörobilim/mühendislik laboratuarıyla iletişim halinde. Chua’nın da zamanında
söylediği gibi, nöronlar arasındaki bağlantıyı sağlayan sinapsların kimi
memristor benzeri davranışlarını olduğuna inanıyor. Dolayısıyla Williams da
memristorun sinaps için en uygun elektronik aygıt olduğunu düşünüyor.
Araştırmacıların devre tasarımında öncelikle beklediği şey, memristor
kullanılarak yeniden tasarlanan belli tür devrelerin daha ucuza mal olması ve
daha az güç tüketmesi. Aslında Williams geleneksel devre tasarım elemanlarını
memristorla bir araya getirerek Boole tarzından farklı hesap yapabilen aygıtlar
üretmeyi umuyor. “Bir beyin üreteceğimizi ileri sürmüyoruz ama beyin gibi hesap
yapabilecek bir şey istiyoruz” diyor.
Şimdilerde
Berkeley’de onursal üye olarak görevini sürdüren memristorun yaratıcısı Chua,
memristorun yapıldığını görmeye ömrünün yeteceğini düşünmüyormuş. Chua “Müthiş
bir şey.” diyor ve ekliyor “Memristoru tümüyle unutmuştum”.
Memristorun
yaratıcıları iddalı; memristorun yalnızca var olan teknolojiyi yenisiyle
değiştirmek anlamına gelmediğini, daha önce kimsenin aklına gelmeyecek türden
yeni aygıtlar ailesinin yapımında kullanılacağını söylüyorlar.
Kaynak : Bilim ve Teknik
Temmuz 2008
Tags:
akım,
alternatif akım,
aristo,
ATOM,
aygıt,
bilgisayar,
bilim,
buluş,
buluşlar,
çamaşır,
çamaşır makines,
çamaşır makinesi,
dinamik,
Direnç,
duy,
elektrik,
elektronik,
Elektronik icatları,
faraday,
fizik,
HESAP,
icat,
keşif,
Keşifler,
KİTAP,
kombi,
komik,
kondansatör,
makine,
matematik,
memristör,
metal,
metre,
motor,
mr,
mucit,
Mucitler,
newton,
OTOMOBİL,
oyun,
oyuncak,
periyodik tablo,
rad,
sat,
tren,
üretim,
UYDU,
uyuy,
yazı
Etiketler:akım, alternatif akım, aristo, ATOM, aygıt, bilgisayar, bilim, buluş, buluşlar, çamaşır, çamaşır makines, çamaşır makinesi, dinamik, Direnç, duy, elektrik, elektronik, Elektronik icatları, faraday, fizik, HESAP, icat, keşif, Keşifler, KİTAP, kombi, komik, kondansatör, makine, matematik, memristör, metal, metre, motor, mr, mucit, Mucitler, newton, OTOMOBİL, oyun, oyuncak, periyodik tablo, rad, sat, tren, üretim, UYDU, uyuy, yazı