Memristor: teoria e applicazioni

Nel 1971 Leon O. Chua, dell’Università di Berkeley, ha ipotizzato l’esistenza di un quarto tipo di componente passivo elementare, il memristore.
Nel maggio del 2008, i ricercatori degli HP Labs di Palo Alto hanno trovato il modo di realizzare un memristore elementare utilizzando un sottilissimo strato di biossido di titanio opportunamente drogato. Questo evidente salto di qualità tecnologico ha permesso di comprendere a pieno le caratteristiche e il comportamento di questo componente.
Così come i transistor hanno consentito la realizzazione dei moderni calcolatori, le future evoluzioni della tecnologia a memristor potranno permettere la creazione di sistemi autonomi di intelligenza artificiale.
Il dispositivo, dal punto di vista scientifico, si pone in una posizione fortemente multidisciplinare, interessando ambiti di diverso genere.
Come suggerito dal titolo dell'elaborato, il lavoro svolto è suddiviso in due parti fondamentali. Quella introduttiva ha un risvolto decisamente teorico mentre la seconda si riferisce ad un ambito più applicativo e tecnologico. Per evidenziare in modo chiaro e diretto il filo logico che è stato seguito è utile elencare le principali tematiche teoriche affrontate:

- Dopo aver dato la definizione generale di sistema memristivo si è proceduto con la descrizione essenziale di due importanti applicazioni: il pistone (ambito meccanico) e la cella elettrolitica (ambito chimico). Il particolare approccio usato mette adeguatamente in luce le simmetrie esistenti tra questi modelli che, altrimenti, apparirebbero totalmente distaccati. Si dimostra che non è difficile trovare sistemi, appartenenti ad domini fisici diversi, aventi caratteristiche simili a quelle del memristor. Tali sistemi fanno riferimento ad un unico modello matematico.
- Per descrivere le caratteristiche fisiche di un sistema memristivo elettrico (il memristor teorizzato da Chua), si è sviluppata la teoria di base dell’elettromagnetismo. Dalle equazioni di Maxwell si sono ricavati gli elementi fondamentali della moderna teoria dei circuiti.
- Basandosi su considerazioni di simmetria formale, si è ripercorso il ragionamento che portò Chua a ipotizzare l’esistenza di un quarto tipo di componente passivo elementare, il memristore.
- Un intero capitolo è dedicato ai grafi di legame. I grafi di legame sono uno strumento grafico molto utile per l’identificazione strutturale dei sistemi fisici. La notazione di causalità che li contraddistingue fornisce un metodo non solo per la formulazione del sistema di equazioni ma anche per la determinazione del comportamento del sistema. Esplicitando, mediante la tecnica dei grafi di legame, le correlazioni esistenti tra le variabili elettromagnetiche fondamentali emerge in modo naturale l’equazione di stato del memristor.

La seconda parte dell’elaborato è applicativa: viene descritta la tecnologia che ha reso possibile la realizzazione del memristor. Sono le dimensioni nanometriche del dispositivo, spesso solo poche decine di strati atomici, a rendere apprezzabile l’effetto memristivo che si presenta spontaneamente nei nano-dispositivi caratterizzati da fenomeni di trasporto di carica. Il meccanismo alla base di tutto è la diffusione dei droganti in uno strato sottile di ossido: il campo elettrico associato alla tensione applicata fa spostare in modo reversibile il confine tra una regione fortemente drogata e una regione intrinseca, alterando in maniera dinamica la resistenza del dispositivo.
Si dimostra che il passaggio dalla scala micrometrica a quella nanometrica permette di ottenere contributi memristivi un milione di volte più accentuati.
I temi fondamentali riguardanti tale aspetto sono i seguenti:
- Quadro tecnologico di riferimento.
- Avvento delle nanotecnologie: l’importanza del cambiamento di scala per l’evoluzione tecnologica.

Il lavoro è arricchito da una brevissima descrizione di alcuni prototipi che sono stati realizzati recentemente. Per ciascuno di questi esiste una vasta letteratura scientifica nella quale vengono descritte le prestazioni ottenute.
L’elaborato mette in evidenza la forte correlazione esistente tra le previsioni teoriche illustrate nei primi capitoli e i risultati sperimentali.
Nell’ultimo capitolo della tesi si fanno alcune ipotesi riguardo a quello che può essere l’impatto del memristor nei diversi settori scientifico-tecnologici di interesse: informatica, elettronica, robotica, automazione industriale. Particolare attenzione è dedicata all’architettura “crossbar array”.
L’introduzione del memristor a biossido di titanio rende dunque possibile la realizzazione di memorie ultra-dense molto efficaci.