Texas A&M entdeckt neues Schaltungselement: den Meminductor

Forscher von Texas A&M haben kürzlich die „Meminduktivität“ demonstriert, die die Grundlage für ein neues Schaltkreiselement bildet: den Meminduktor. Frühere Forscher haben sowohl Memwiderstand als auch Memkapazität nachgewiesen, was den Beitrag von Texas A&M zu einem großen Sprung in der wissenschaftlichen Gemeinschaft macht.

Die „Mem“-Varianten grundlegender Schaltkreiselemente sind zwar auf Bastler-Steckbrettern möglicherweise nicht üblich, haben sich jedoch in Computer- und KI/ML-Anwendungen als beträchtlich nützlich erwiesen. Der Memristor ist heute aufgrund seiner früheren Entdeckung (2008 gegenüber 2019 für Memkondensatoren) wohl der am weitesten verbreitete. Doch je mehr man über die Komponenten weiß, desto größer kann ihr Nutzen werden.

In diesem Artikel stellen wir die Forschung von Texas A&M vor, um Designern zu zeigen, wie das meminduktive Verhalten entdeckt wurde. Wir werden auch diskutieren, wie sich die vollständige Dreifaltigkeit der „Mem“-Geräte in Zukunft als nützlich erweisen könnte.

Das Präfix „mem“ gibt an, dass ein Schaltungselement eine Form von Speicher enthält. Auch wenn es sich bei dem Speicher nicht um einen Direktzugriffs- oder Nur-Lese-Speicher handelt, ermöglicht er die Nutzung einzigartiger Eigenschaften in neuen Anwendungen.

Memristoren beispielsweise haben in der jüngsten Forschung eine Vielzahl von Anwendungen erfahren. In einem solchen Beispiel wurden Memristoren für die Bildverarbeitung verwendet, die von der Mustererkennung von Säugetieren inspiriert war. Memristive Geräte wurden auch zur Realisierung von Compute-in-Memory-Architekturen verwendet, bei denen ein zentraler Prozessor aufgrund der Variabilität des Gerätewiderstands keine Berechnungen mehr durchführt.

Vereinfacht ausgedrückt weisen „Mem“-Geräte Eigenschaften (Widerstand, Kapazität, Induktivität) auf, die sich je nach ihrem vorherigen Zustand ändern können. Auf diese Weise verfügt das Element über „Speicher“, was es von Nicht-Mem-Geräten unterscheidet, die unabhängig von vorherigen Zuständen sind.

Während der Meminduktor bereits seit einiger Zeit theoretisiert wird, muss vor den jüngsten Erkenntnissen der Texas A&M-Gruppe noch ein endgültiger Beweis für ein echtes Gerät mit zwei Anschlüssen erbracht werden. Dies liegt daran, dass der Serienwiderstand die meminduktiven Eigenschaften effektiv verdeckt, insbesondere bei niedrigen Frequenzen, wenn der gewünschte Effekt am stärksten ist.

Um die Auswirkungen des Serienwiderstands zu negieren, wandte die Gruppe eine clevere Technik an, die die Auswirkungen des Serienwiderstands auf den Betrieb des Geräts effektiv subtrahierte, um die Auswirkungen der Meminduktivität zu isolieren. Da der Widerstand leicht gemessen werden kann und sich im Idealfall nicht mit der Frequenz ändert, ist die Bestimmung der Meminduktivität nahezu trivial.

Um einen experimentellen Meminduktor zu entwickeln, benötigte die Texas A&M-Gruppe einen Mechanismus, der die Induktivität im Verhältnis zum angelegten Strom passiv verändern konnte. Das Team platzierte eine luftgewickelte Spule auf einem Stab, der teilweise ein ferromagnetisches Material zwischen zwei Magneten enthielt. In diesem Aufbau [GIF verlinkt] bewegte sich die Spule im Verhältnis zum ferromagnetischen Stab, wenn sich der Strom durch die Spule änderte, wodurch sich die Induktivität änderte.

Die Ergebnisse des Versuchsaufbaus (siehe „Ergänzende Informationen“ in der Arbeit) zeigen, dass durch Subtraktion des bekannten Effekts des Serienwiderstands die meminduktiven Eigenschaften beobachtet werden können, was einen experimentellen Beweis für die passive, zweipolige Meminduktivität liefert.

Das neue Schaltungselement könnte in reaktiven Geräten weniger Strom verbrauchen und eine effizientere Rechenleistung ermöglichen. Durch den Einsatz dieser neuen Komponente könnten KI- und ML-Bereiche von einem verbesserten neuromorphen Computing profitieren, das hardwarebasierte Leistungssteigerungen ermöglicht. Auch der Hochleistungsrechnerbereich kann von den programmierbaren Eigenschaften des Meminduktors profitieren und komplexe oder hochdichte Berechnungen direkt im Speicher ermöglichen, ohne dass eine massive Rechenlast auf der CPU erforderlich ist.

Die physikalische Realisierung des Meminduktors hat jedem der drei Grundschaltkreiselemente sein Mem-Gegenstück gegeben. Diese Forschungsentwicklung kommt zu einem günstigen Zeitpunkt, da das Mooresche Gesetz an seine Grenzen stößt. Während Ingenieure die Dynamik ausweiten, die die Entwicklungen des letzten Jahrhunderts vorangetrieben hat, könnte der Meminduktor dazu beitragen, eine Rolle bei der weiteren Innovation zu spielen.