04 junho 2015

A vitoriosa escalada do memristor

Construído pela primeira vez em 2008, o dispositivo previsto em 1971 vem se mostrando promissor, com aplicações em máquinas inspiradas no funcionamento do cérebro. Em sua coluna de junho, Carlos Alberto dos Santos aponta possíveis caminhos para o estudo dos memristores.

Previsto em 1971 e construído pela primeira vez em 2008, o memristor foi depois usado na elaboração de um chip para ser aplicado em pesquisas de neurociência. (foto: Andy Thomas/ Bielefeld University)

Em janeiro de 2009, apresentei aqui na coluna o memristor, um dispositivo previsto em 1971 pelo engenheiro norte-americano Leon Chua e fabricado pela primeira vez em 2008, nos laboratórios da HP. Em 2014, escrevi sobre uma aplicação pioneira do mecanismo – um chip neuromórfico fabricado na Universidade Bielefeld, Alemanha, entre 2012 e 2013.

Agora, um artigo publicado recentemente na Nature me chamou a atenção. Era sobre um biomemristor fabricado com um filme de albumina de ovo. Uma rápida navegação na Web of Science (WoS)  motivou a elaboração desta coluna. Até 1971, só havia um artigo sobre memristores registrado nessa base de dados, justamente aquele assinado por Leon Chua. Entre 1972 e 2007, surgiu um artigo com cálculos de circuitos elétricos contendo memristores. Depois da fabricação do dispositivo em 2008, o número de artigos publicados explodiu: só em 2008 e 2009, a WoS registra 96 artigos, e o crescimento anual foi quase exponencial, atingindo a fantástica marca de 1.383 artigos publicados entre 2008 e 2015.

Os fundamentos do memristor foram praticamente esgotados no primeiro artigo de Leon Chua e descritos na minha primeira coluna sobre o dispositivo. Esses quase 1.400 artigos que vieram depois tratam essencialmente de diversos modos de preparação – como o uso da albumina de ovo de galinha –, de propostas de aplicações tecnológicas e de aprofundamentos conceituais a partir dos fundamentos estabelecidos por Chua, sobre os quais falarei agora.

Variáveis do circuito elétrico
A resistência (R) tem a ver com a relação entre V e i. A capacitância (C) depende da relação entre Q e V. A indutância (L) tem a ver com a relação entre Φ e i. Até 1971, ninguém sabia o que resultaria da relação entre Φ e Q. Assim, nascia o memristor. (ilustração cedida pelo autor)

É interessante retomar a história no ponto em que Leon Chua começou a desenvolver suas ideias. Antes da descoberta do memristor, os elementos passivos de um circuito elétrico eram três: resistor, capacitor e indutor, cada um associado a uma propriedade que o caracteriza, respectivamente resistência (R), capacitância (C) e indutância (L). Além disso, cada circuito elétrico é regulado por quatro variáveis: corrente elétrica, carga elétrica, voltagem e fluxo magnético.

Até 1971, das seis relações possíveis entre as quatro variáveis, apenas uma era desconhecida. Ninguém sabia o que resultaria da relação entre fluxo magnético e carga elétrica. Leon Chua postulou, então, a existência do memristor e definiu a memresistência a partir da relação entre essas duas variáveis. Na linguagem científica, a memresistência é a derivada do fluxo em relação à carga.

 

Memória de metal

Um aspecto pouco explorado nos artigos de divulgação sobre o memristor, que tem importância essencial na sua utilização tecnológica, refere-se ao seu princípio de funcionamento, descrito no trabalho sobre a sua fabricação na HP. Como mencionei na primeira coluna, o dispositivo preparado pela equipe da HP era uma espécie de sanduíche para explorar os recursos da eletrônica molecular – não tinha nada a ver com o memristor; aliás, a equipe envolvida nem sabia da existência do artigo de Leon Chua.

As partes externas do sanduíche eram camadas de platina (Pt) com espessura inferior a três nanômetros (o nanômetro é a bilionésima parte do metro). A primeira camada de platina foi oxidada, para formar o óxido PtO2, e, sobre ela, foi depositada uma finíssima camada molecular de um composto orgânico para facilitar a fixação da próxima camada, constituída de titânio (Ti), com espessura inferior a três nanômetros. Finalmente, vinha a segunda camada de platina.

O dispositivo funcionou como uma memória permanente, com resultados espetaculares, mas seus desenvolvedores não sabiam explicar o mecanismo responsável pelo comportamento. Seis anos se passaram até que alguém da equipe descobriu o artigo de Chua e eles perceberam que estavam diante de um memristor. Portanto, foi por acaso que este dispositivo foi fabricado pela primeira vez.

Memristor
Após reações químicas, o memristor da HP reduziu-se a um sanduíche com duas camadas no recheio. Uma delas apresenta alta resistência, e a outra, alta condutividade. (ilustração: Michael Lenz)

Depois das reações químicas no interior do sanduíche, o dispositivo fabricado na HP ficou como esse esquematizado na figura. Reduziu-se a um sanduíche com duas camadas no recheio – a  camada TiO2 apresenta alta resistência elétrica e a outra, um óxido deficiente em oxigênio, apresenta baixa resistência, ou alta condutividade, o que dá no mesmo. Na linguagem da física de semicondutores, diz-se que esse memristor é uma junção TiO2, onde um lado é dopado (deficiente em oxigênio) e o outro é puro.

Quando se aplica uma voltagem positiva no terminal dopado, as lacunas, que se comportam como cargas positivas, migram para o outro lado, aumentando a espessura da camada condutora e, assim, diminuindo a resistência do sanduíche. Diz-se que, nesse estado, o dispositivo está “ligado”, correspondendo ao bit “0” ou ao bit “1”, como preferir. Quando se aplica uma voltagem negativa, esta atrai as lacunas, diminuindo a espessura da camada condutora, o que significa dizer que a resistência aumenta e o dispositivo fica no estado “desligado”.

 

Olhar para o futuro

O pessoal da HP logo percebeu o detalhe que mencionei acima, geralmente esquecido nos artigos de divulgação científica sobre o memristor. Manipulando o valor da voltagem aplicada, pode-se ter diferentes espessuras das camadas com alta e baixa resistência, ou seja, em vez de um sistema binário convencional, com dois estados “0” e “1”, o memristor pode ter incontáveis estados, cada um correspondendo a uma relação entre as espessuras das camadas.

Assim, o memristor é um sistema analógico, e isso faz dele um sério candidato a simulador do comportamento biológico, digamos, como elemento central em circuitos neuromórficos. Por exemplo, a condutividade nos canais de potássio e sódio, que deu o Nobel de Fisiologia ou Medicina de 1963 a John Carew Eccles, Alan Lloyd Hodgkin e Andrew Fielding Huxley , pode ser associada a um memristor.

A principal propriedade do memristor é que, uma vez desligada a fonte de alimentação, as camadas puras e dopadas permanecem no estado em que se encontram e, quando a fonte é ligada, o memristor inicia do ponto em que estava. Ou seja, trata-se de um dispositivo versátil, que pode ser usado em circuitos analógicos ou digitais, e também como memória não volátil. É por essas propriedades que as principais aplicações devem surgir.

Cérebros são feitos de memristores
“Cérebros são feitos de memristores”, diz o texto na foto, livremente traduzido para o português. Uma das aplicações mais promissoras do dispositivo é a construção de sistemas eletrônicos inspirados no funcionamento do cérebro. (imagem: BinnX1 / Flickr / CC BY-NC-ND 2.0)

Nesse contexto, o uso do memristor para simular sinapses em circuitos neuromórficos é uma das possibilidades relatadas na literatura. Outro uso possível seria a incorporação de memristores em circuitos computacionais usuais, para aumentar a capacidade de armazenamento e processamento de computadores – para este tipo de equipamento, no entanto, ainda não há protótipos registrados.


Carlos Alberto dos Santos
Professor aposentado do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)

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