Luận văn thạc sĩ HCMUTE: Nghiên cứu mô hình memsistor và ứng dụng trong thiết kế cổng logic

Luận văn phân tích mô hình memsistor và thiết kế cổng logic trong luận văn thạc sĩ HCMUTE, vận dụng lý thuyết vững chắc, đề xuất giải pháp sáng tạo

• Tác giả: Hà Văn Quân
• Người hướng dẫn: TS Võ Minh Huân
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Mô Hình Memristor Và Thiết Kế Cổng Logic
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung
• 1.2. Các nghiên cứu đã công bố
• 1.3. Mục đích của đề tài
• 1.4. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
• 1.4.1. Nhiệm vụ của đề tài
• 1.4.2. Giới hạn của đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Tóm tắt đề tài
• 2. CÁC MÔ HÌNH MEMRISTOR
• 2.1. Mô hình tuyến tính. Cửa sổ chức năng
• 2.2. Mô hình phi tuyến
• 2.3. Mô hình Simmons Tunnel Barrier
• 2.4. ThrEshold Adaptive Memristor model (TEAM)
• 2.5. So sánh các mô hình
• 3. ỨNG DỤNG MEMRISTOR TRONG THIẾT KẾ CÁC CỔNG LOGIC
• 3.1. Xây dựng cổng logic tỷ lệ MRL. Cổng OR/AND
• 3.2. Cổng NOR/ NAND
• 3.3. Cổng EXOR/ EXNOR
• 3.4. Mạch cộng 1 bit
• 3.5. Bộ Cộng Half-adder
• 3.6. Bộ cộng Full-adder
• 4. KẾT LUẬN, ĐÁNH GIÁ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 4.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về memristor

Memristor, được phát hiện bởi Giáo sư Leon Chua vào năm 1971, là một trong những thành phần cơ bản của mạch điện. Thiết bị này có khả năng ghi nhớ trạng thái trở kháng của nó, cho phép nó hoạt động như một bộ nhớ không bay hơi. Memristor có thể thay đổi trở kháng dựa trên dòng điện chạy qua, điều này tạo ra tiềm năng lớn trong việc phát triển các mạch logic mới. Nghiên cứu về memristor đã gia tăng đáng kể từ khi HP Labs công bố thiết bị này vào năm 2008. Các ứng dụng của memristor trong thiết kế cổng logic đang được khám phá, với khả năng tích hợp cao hơn và tiết kiệm năng lượng hơn so với công nghệ CMOS hiện tại.

1.1. Định nghĩa và cấu trúc của memristor

Memristor là thiết bị điện tử có hai cực, với trở kháng phụ thuộc vào lịch sử dòng điện chạy qua nó. Cấu trúc của memristor cho phép nó hoạt động như một điện trở có khả năng ghi nhớ, điều này có nghĩa là nó có thể lưu trữ thông tin mà không cần nguồn điện. Các mô hình memristor như mô hình tuyến tính, phi tuyến, và các mô hình khác như TEAM và VTEAM đã được phát triển để mô phỏng và tối ưu hóa hiệu suất của thiết bị này trong các ứng dụng thực tế.

1.2. Tính chất và ứng dụng của memristor

Memristor có nhiều tính chất nổi bật như khả năng lưu trữ thông tin, tiêu thụ năng lượng thấp và khả năng hoạt động ở mật độ cao. Những tính chất này làm cho memristor trở thành một lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng trong lĩnh vực vi mạch, đặc biệt là trong thiết kế các cổng logic. Việc sử dụng memristor trong các mạch logic có thể cải thiện hiệu suất và giảm chi phí sản xuất, đồng thời mở ra hướng đi mới cho công nghệ điện tử trong tương lai.

II. Thiết kế cổng logic sử dụng memristor

Thiết kế cổng logic với memristor là một trong những ứng dụng quan trọng nhất của công nghệ này. Các cổng logic như AND, OR, NOR, NAND có thể được xây dựng bằng cách sử dụng memristor, cho phép thực hiện các phép toán logic cơ bản. Phương pháp MRL (Memristor Ratioed Logic) đã được đề xuất để tối ưu hóa thiết kế cổng logic, giúp tăng cường hiệu suất và giảm thiểu kích thước mạch. Việc áp dụng memristor trong thiết kế cổng logic không chỉ cải thiện tốc độ xử lý mà còn tiết kiệm năng lượng tiêu thụ.

2.1. Các loại cổng logic và nguyên lý hoạt động

Các cổng logic cơ bản như AND, OR, NOR, NAND có thể được thiết kế bằng cách sử dụng memristor. Mỗi loại cổng logic có nguyên lý hoạt động riêng, nhưng đều dựa trên khả năng thay đổi trở kháng của memristor. Ví dụ, cổng AND có thể được xây dựng bằng cách kết nối hai memristor sao cho chỉ khi cả hai đầu vào đều ở mức cao, đầu ra mới cho giá trị cao. Điều này cho thấy khả năng linh hoạt và hiệu quả của memristor trong việc thực hiện các phép toán logic.

2.2. Ứng dụng thực tiễn và tiềm năng phát triển

Việc ứng dụng memristor trong thiết kế cổng logic không chỉ mang lại lợi ích về hiệu suất mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực vi mạch. Memristor có thể được sử dụng trong các thiết bị điện tử thông minh, mạng thần kinh sinh học, và các hệ thống máy tính thế hệ mới. Tiềm năng phát triển của memristor trong tương lai rất lớn, với khả năng thay thế các công nghệ hiện tại và cải thiện hiệu suất của các hệ thống điện tử.

III. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu về memristor và ứng dụng của nó trong thiết kế cổng logic đã chỉ ra rằng công nghệ này có tiềm năng lớn trong việc cải thiện hiệu suất và tiết kiệm năng lượng cho các thiết bị điện tử. Các mô hình memristor hiện tại đã cho thấy khả năng hoạt động hiệu quả trong các mạch logic, mở ra hướng đi mới cho công nghệ vi mạch. Hướng phát triển trong tương lai có thể bao gồm việc tối ưu hóa các mô hình memristor, nghiên cứu sâu hơn về ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực khác nhau.

3.1. Đánh giá tổng quan

Nghiên cứu này đã cung cấp cái nhìn tổng quan về memristor, từ định nghĩa, cấu trúc đến ứng dụng trong thiết kế cổng logic. Memristor không chỉ là một thiết bị điện tử mới mà còn là một công nghệ có thể thay đổi cách thức hoạt động của các hệ thống điện tử hiện tại. Việc hiểu rõ về memristor sẽ giúp các nhà nghiên cứu và kỹ sư phát triển các giải pháp sáng tạo trong tương lai.

3.2. Hướng phát triển trong tương lai

Hướng phát triển trong tương lai có thể tập trung vào việc cải thiện hiệu suất của memristor, nghiên cứu các ứng dụng mới trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo và mạng thần kinh. Ngoài ra, việc tích hợp memristor với các công nghệ hiện tại cũng là một lĩnh vực nghiên cứu tiềm năng, giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí sản xuất.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghệ vi mạch ngày càng phát triển, việc thu nhỏ kích thước các linh kiện điện tử theo định luật Moore đang dần chạm đến giới hạn vật lý. Theo ước tính, tốc độ thu nhỏ transistor đã chậm lại đáng kể trong những năm gần đây, gây ra thách thức lớn cho ngành công nghiệp bán dẫn. Các công nghệ bộ nhớ truyền thống như Flash, DRAM và SRAM không còn đáp ứng được yêu cầu về mật độ lưu trữ cao và tiêu thụ năng lượng thấp. Bộ nhớ Flash đã đạt đến giới hạn vật lý do độ bền hạn chế, khiến việc mở rộng công nghệ trở nên khó khăn.

Trong bối cảnh đó, memristor – thiết bị điện trở nhớ – được xem là một bước đột phá mới trong lĩnh vực kỹ thuật điện tử. Memristor là thiết bị hai cực có khả năng thay đổi trở kháng dựa trên dòng điện chạy qua và lưu giữ trạng thái trở kháng ngay cả khi nguồn điện bị ngắt. Thiết bị này có thể được chế tạo với kích thước nano, cho phép mật độ tích hợp cao hơn nhiều lần so với công nghệ CMOS truyền thống. Nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát các mô hình memristor đã được đề xuất như mô hình tuyến tính, phi tuyến, Simmons, TEAM và VTEAM, đồng thời ứng dụng memristor trong thiết kế các cổng logic số theo phương pháp MRL (Memristor Ratioed Logic).

Mục tiêu chính của luận văn là phân tích cấu trúc, đặc điểm và nguyên lý hoạt động của memristor, từ đó ứng dụng trong thiết kế các cổng logic số nhằm nâng cao hiệu suất, giảm chi phí và tiết kiệm năng lượng cho các hệ thống vi mạch. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các mô hình memristor và mô phỏng thiết kế mạch logic trên nền tảng phần mềm Cadence, trong khoảng thời gian từ năm 2014 đến 2017 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ vi mạch thế hệ mới, góp phần thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị điện tử có hiệu năng cao và tiêu thụ năng lượng thấp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết mạch điện cơ bản với bốn đại lượng cơ bản: dòng điện (i), điện áp (v), điện tích (q) và từ thông (φ). Trước đây, ba thành phần mạch cơ bản là điện trở (R), tụ điện (C) và cuộn cảm (L) đã mô tả mối quan hệ giữa các đại lượng này, tuy nhiên tồn tại một mối liên hệ còn thiếu giữa điện tích và từ thông. Leon Chua đã đề xuất memristor như là thành phần mạch cơ bản thứ tư, thể hiện mối quan hệ giữa điện tích và từ thông, với đặc tính trở kháng nhớ (memristance) thay đổi theo dòng điện chạy qua.

Các mô hình memristor được nghiên cứu bao gồm:

• Mô hình tuyến tính: Mô tả sự thay đổi trở kháng theo tỷ lệ tuyến tính với điện tích, dựa trên cấu trúc vật lý của memristor HP với lớp titan oxit TiO2 và TiO2-x.
• Mô hình phi tuyến: Bao gồm các cửa sổ chức năng phi tuyến như Joglekar, Biolek và Prodromakis nhằm mô phỏng chính xác hơn đặc tính thực tế của memristor.
• Mô hình Simmons Tunnel Barrier: Mô phỏng hiện tượng xuyên hầm điện tử trong memristor.
• Mô hình TEAM (Threshold Adaptive Memristor Model) và VTEAM (Voltage Threshold Adaptive Memristor Model): Các mô hình nâng cao có khả năng mô phỏng ngưỡng điện áp và đặc tính phi tuyến phức tạp của memristor.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu là: trở kháng nhớ (memristance), đặc tính dòng-áp (I-V curve) với vòng hysteresis đặc trưng, và kỹ thuật chuyển mạch (switching mechanisms) bao gồm chuyển mạch nhiệt, điện tử và ion.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp mô phỏng trên phần mềm thiết kế vi mạch Cadence, chạy trên hệ điều hành Redhat. Nguồn dữ liệu chính bao gồm các tài liệu khoa học, bài báo quốc tế và các mô hình memristor đã được công bố. Cỡ mẫu nghiên cứu là tập hợp các mô hình memristor tiêu biểu, được lựa chọn dựa trên tính phổ biến và khả năng mô phỏng chính xác đặc tính vật lý.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Phân tích cấu trúc và nguyên lý hoạt động của memristor dựa trên các mô hình lý thuyết.
• Mô phỏng đặc tính dòng-áp và trở kháng nhớ của từng mô hình.
• Thiết kế và mô phỏng các cổng logic số cơ bản (OR, AND, NOR, NAND, XOR, XNOR) sử dụng phương pháp MRL.
• Tích hợp các cổng logic thành mạch tổ hợp như bộ cộng half-adder và full-adder.
• So sánh hiệu năng và đặc tính hoạt động của các mạch logic memristor với công nghệ CMOS truyền thống.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2014 đến tháng 3/2017, bao gồm các giai đoạn thu thập tài liệu, phân tích mô hình, thiết kế mạch và mô phỏng, đánh giá kết quả và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc tính trở kháng nhớ và vòng hysteresis của memristor: Mô phỏng các mô hình memristor cho thấy đặc tính dòng-áp có dạng vòng hysteresis điển hình, với vòng co lại khi tần số tín hiệu tăng. Ví dụ, mô hình TEAM và VTEAM thể hiện rõ ràng ngưỡng điện áp chuyển mạch, giúp mô phỏng chính xác hơn các đặc tính thực tế. Đặc tính này cho phép memristor lưu giữ trạng thái trở kháng ngay cả khi nguồn điện bị ngắt, với độ ổn định cao trong thời gian dài.

2. Hiệu quả thiết kế cổng logic theo phương pháp MRL: Các cổng logic OR, AND, NOR, NAND, XOR, XNOR được thiết kế và mô phỏng thành công trên nền tảng Cadence. Kết quả mô phỏng cho thấy các cổng logic memristor có thể hoạt động với độ chính xác trên 98%, đồng thời tiết kiệm diện tích và năng lượng hơn so với các cổng CMOS truyền thống. Ví dụ, mạch cộng half-adder và full-adder tích hợp từ các cổng MRL hoạt động ổn định với sai số dưới 2%.

3. Khả năng tích hợp mật độ cao và tiết kiệm năng lượng: Memristor có kích thước nano (khoảng 40-50 nm) và cấu trúc crossbar cho phép tích hợp mật độ cao hơn ít nhất 2 lần so với công nghệ CMOS hiện tại. Ngoài ra, memristor không tiêu thụ điện năng khi ở trạng thái nghỉ, giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng của mạch.

4. So sánh với transistor truyền thống: Memristor có ưu điểm vượt trội về khả năng lưu trữ trạng thái không cần nguồn, kích thước nhỏ hơn do làm từ titan oxit kim loại, và khả năng thực thi các chức năng số và tương tự. Tuy nhiên, tốc độ chuyển mạch của memristor hiện tại còn thấp hơn transistor, đòi hỏi nghiên cứu thêm về thiết kế mạch để tối ưu hóa hiệu suất.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy memristor là thiết bị tiềm năng để thay thế hoặc bổ sung cho công nghệ CMOS trong thiết kế vi mạch số. Đặc tính trở kháng nhớ và khả năng lưu trữ trạng thái không bay hơi giúp giảm thiểu năng lượng tiêu thụ và tăng tốc độ khởi động hệ thống. Các vòng hysteresis trong đặc tính dòng-áp được thể hiện rõ qua biểu đồ I-V, minh họa khả năng ghi nhớ trạng thái của memristor.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với báo cáo của các nhóm nghiên cứu tại HP Labs và các bài báo quốc tế về mô hình TEAM và VTEAM. Việc ứng dụng phương pháp MRL trong thiết kế cổng logic giúp tận dụng tối đa đặc tính trở kháng của memristor, đồng thời giảm thiểu số lượng transistor cần thiết, từ đó tiết kiệm diện tích và chi phí sản xuất.

Tuy nhiên, thách thức về tốc độ chuyển mạch và tiêu chuẩn thiết kế vẫn còn tồn tại, đòi hỏi các nghiên cứu tiếp theo tập trung vào phát triển vật liệu mới và kỹ thuật thiết kế mạch phù hợp. Ngoài ra, việc mô phỏng trên phần mềm chưa thể thay thế hoàn toàn thử nghiệm thực tế do chi phí cao và giới hạn kỹ thuật sản xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển vật liệu memristor mới: Nghiên cứu và thử nghiệm các loại oxit kim loại khác như WO3, Ir2O3, MoO3 để cải thiện tốc độ chuyển mạch và độ bền của memristor, nhằm nâng cao hiệu suất hoạt động của thiết bị trong các ứng dụng thực tế.

2. Tối ưu hóa thiết kế mạch logic memristor: Áp dụng các phương pháp thiết kế mạch mới như MRL kết hợp với công nghệ CMOS để tạo ra các mạch logic tích hợp có mật độ cao, tiêu thụ năng lượng thấp và tốc độ xử lý nhanh hơn. Thời gian thực hiện dự kiến trong vòng 2 năm, do các nhóm nghiên cứu vi mạch đảm nhiệm.

3. Xây dựng tiêu chuẩn thiết kế và mô phỏng memristor: Thiết lập các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình mô phỏng chuẩn để đảm bảo tính nhất quán và khả năng tái lập trong nghiên cứu và sản xuất memristor. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành kỹ thuật điện tử.

4. Ứng dụng memristor trong mạng nơ-ron nhân tạo (neuromorphic): Khai thác đặc tính lưu trữ đa mức và khả năng mô phỏng khớp thần kinh của memristor để phát triển các hệ thống trí tuệ nhân tạo hiệu quả, tiết kiệm năng lượng. Thời gian nghiên cứu và phát triển khoảng 3-5 năm, phối hợp giữa các trung tâm nghiên cứu AI và vi mạch.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện tử - Vi mạch: Luận văn cung cấp kiến thức nền tảng và cập nhật về memristor, giúp các bạn hiểu rõ về công nghệ mới và ứng dụng trong thiết kế mạch logic.

2. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư phát triển vi mạch: Tài liệu chi tiết về các mô hình memristor và phương pháp thiết kế mạch logic MRL hỗ trợ nghiên cứu và phát triển sản phẩm vi mạch thế hệ mới.

3. Doanh nghiệp công nghệ và sản xuất chip bán dẫn: Tham khảo để đánh giá tiềm năng ứng dụng memristor trong sản xuất bộ nhớ không bay hơi và mạch logic tích hợp, từ đó định hướng đầu tư và phát triển công nghệ.

4. Giảng viên và chuyên gia đào tạo kỹ thuật điện tử: Sử dụng luận văn làm tài liệu giảng dạy và nghiên cứu khoa học, giúp cập nhật kiến thức mới cho sinh viên và đồng nghiệp trong ngành.

Câu hỏi thường gặp

1. Memristor là gì và có điểm khác biệt gì so với transistor?
   Memristor là thiết bị điện trở nhớ hai cực, có khả năng thay đổi trở kháng dựa trên dòng điện chạy qua và lưu giữ trạng thái này khi nguồn điện bị ngắt. Khác với transistor ba cực cần nguồn duy trì trạng thái, memristor không cần nguồn và có kích thước nhỏ hơn do làm từ titan oxit kim loại.

2. Các mô hình memristor phổ biến hiện nay là gì?
   Các mô hình chính bao gồm mô hình tuyến tính, phi tuyến, Simmons Tunnel Barrier, TEAM và VTEAM. Mỗi mô hình mô phỏng đặc tính vật lý và điện tử của memristor với mức độ chính xác khác nhau, phục vụ cho các mục đích thiết kế và mô phỏng mạch.

3. Memristor có thể ứng dụng trong lĩnh vực nào?
   Memristor được ứng dụng chủ yếu trong bộ nhớ không bay hơi, thiết kế mạch logic số và tương tự, cũng như trong mạng nơ-ron nhân tạo (neuromorphic) để mô phỏng chức năng của bộ não.

4. Phương pháp MRL là gì và có ưu điểm gì?
   MRL (Memristor Ratioed Logic) là phương pháp thiết kế cổng logic sử dụng tỷ lệ trở kháng của memristor để thực hiện các phép toán Boolean. Ưu điểm là giảm số lượng transistor cần thiết, tiết kiệm diện tích và năng lượng, đồng thời tăng mật độ tích hợp.

5. Những thách thức chính khi ứng dụng memristor là gì?
   Thách thức bao gồm tốc độ chuyển mạch còn thấp, thiếu tiêu chuẩn thiết kế cụ thể, tiêu thụ năng lượng khi đọc/ghi dữ liệu và cần kỹ thuật xử lý sai số hiệu quả hơn. Nghiên cứu tiếp tục nhằm khắc phục các vấn đề này để ứng dụng rộng rãi.

Kết luận

• Memristor là thiết bị điện tử hai cực với đặc tính trở kháng nhớ, có khả năng lưu giữ trạng thái không bay hơi, phù hợp cho các ứng dụng bộ nhớ và mạch logic thế hệ mới.
• Các mô hình memristor như tuyến tính, phi tuyến, TEAM và VTEAM cung cấp nền tảng lý thuyết và công cụ mô phỏng chính xác đặc tính vật lý của thiết bị.
• Phương pháp MRL cho phép thiết kế các cổng logic số hiệu quả, tiết kiệm diện tích và năng lượng so với công nghệ CMOS truyền thống.
• Memristor có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong bộ nhớ không bay hơi, mạch logic tích hợp và mạng nơ-ron nhân tạo, góp phần thúc đẩy sự phát triển của công nghệ vi mạch.
• Các bước tiếp theo bao gồm phát triển vật liệu mới, tối ưu hóa thiết kế mạch, xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và mở rộng ứng dụng trong trí tuệ nhân tạo. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ quan tâm đầu tư nghiên cứu sâu hơn để khai thác tiềm năng của memristor.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về lĩnh vực cũng như đề tài nghiên cứu. Trình bày khái quát về tình hình lĩnh vực vi mạch nghiên cứu hiện nay, thông qua đó đề cập đến tầm quan trọng của đề tài. Chương 2: Trình bày về nguồn gốc ra đời của memristor; Cấu trúc, đặc điểm, chất liệu và nguyên lý hoạt động của các mô hình memristor. Qua đó, trình bày khả năng ứng dụng của memristor trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật, và rút ra những tính năng vượt trội, cũng như thách thức của vật liệu mới này.

6 Luan van Chương 1: Tổng quan Chương 3: Trình bày về các mô hình memristor được xây dựng bởi các nhà nghiên cứu khoa học trên thế giới. Mỗi mô hình có một sự khác biệt nhất định dựa trên nền tảng là lý thuyết mà Chua đã đưa ra. Chương 4: Trình bày về ứng dụng memristor trong việc xây dựng các cổng logic số kết hợp với công nghệ CMOS truyền thống. Đồng thời dựa trên đó để thiết kế một số mạch logic cơ bản bằng việc kết hợp các cổng logic lại với nhau.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài. 7 Luan van Chương 2: Memristor CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Nguồn gốc của memristor Bất cứ ai với kiến thức cơ bản trong kỹ thuật điện đều biết rằng có bốn đại lượng cơ bản của mạch là: dòng điện i, điện áp v, điện tích q, từ thông φ. Rõ ràng với bốn thông số này có thể tạo ra sáu tổ hợp có mối liên hệ chúng với nhau.

Cho đến nay chúng ta hiểu và hoàn toàn kiểm soát năm mối liên hệ của những sự kết hợp đó với ba yếu tố mạch cơ bản là điện trở R, tụ điện C và cuộn cảm L. Không giống như các thành phần hoạt động mà có thể tạo ra năng lượng, ba yếu tố này là các phần tử thụ động chỉ có khả năng lưu giữ hoặc tiêu hao năng lượng nhưng không tạo ra nó. Các đặc tính của một trong ba yếu tố có thể được mô tả bởi một mối quan hệ tuyến tính giữa hai biến của mạch. Mối quan hệ giữa ‘điện áp và dòng điện’, ‘điện áp và điện tích’, và ‘dòng điện và từ thông’ được định nghĩa bởi một điện trở, tụ điện và một cuộn cảm tương ứng.1 cho thấy ba mối quan hệ.

Hơn nữa, hai kết hợp khác được định nghĩa bởi định luật Faraday. Định luật Faraday cho thấy dòng điện là đạo hàm của của điện tích theo thời gian và điện áp là đạo hàm của từ thông theo thời gian.2 cho thấy mối quan hệ giữa các thông số này.1: Quan hệ giữa các biến mạch gồm điện trở, tụ điện và cuộn cảm. 8 Luan van Chương 2: Memristor Hình 2.2: Mối quan hệ giữa bốn biến mạch được biết đến trước khi chưa có bài báo của Chua. Lưu ý còn thiếu liên kết giữa φ và q.

Năm 1971, Leon Chua, một giáo sư từ đại học Berkeley so sánh định nghĩa này với lý thuyết vật chất của Aristotle. Dựa trên lý thuyết của Aristotle được hiển thị trong hình 2.3, tất cả các yếu tố được bao gồm bốn yếu tố cơ bản, cụ thể là đất, nước, không khí và lửa. Ngoài ra còn có bốn thuộc tính cơ bản: khô, ẩm, nóng, lạnh.3: Lý thuyết vật chất của Aristotle 9 Luan van Chương 2: Memristor Hình 2.4: Mối quan hệ giữa bốn biến mạch, xác định bốn thành phần mạch bao gồm cả memristor. Bất kỳ các yếu tố cơ bản đại diện cho hai trong số bốn thuộc tính cơ bản.

Sau khi kiểm tra một số phát hiện của Chua nhận thấy có một sự tương đồng giữa các mối quan hệ giữa các yếu tố trên với các tham số mạch điện. Ông nhận thấy rằng không có yếu tố liên quan từ thông và điện tích. Do đó, ông dự đoán rằng dựa trên tính đối xứng, có phải là một phần tử mạch cơ bản thứ tư. Ông gọi là yếu tố giả thuyết là "memristor".

Yếu tố thứ tư này mô tả mối quan hệ giữa điện tích và từ thông. Nhưng tại sao không ai xem xét mối liên kết còn thiếu này cũng là một câu hỏi đáng quan tâm. Sau đó phải mất khoảng 40 năm để memristor được thực sự thực hiện dưới một hình thức vật lý.4 biển thị các mối quan hệ hoàn toàn giữa tất cả bốn yếu tố mạch và các biến. Định nghĩa memristor Memristor viết tắt của: memory resistor, là một thiết bị thụ động, một nhân tố mạch hai cực, thể hiện mối quan hệ giữa từ thông và điện tích, trong đó từ thông giữa hai cực là một hàm của lượng điện tích chạy qua nó.

Memristor không phải là một nhân tố chứa năng lượng. 10 Luan van Chương 2: Memristor Nhà nghiên cứu Leon Chua định nghĩa nhân tố này như một điện trở, mà trở kháng thay đổi dựa trên lượng điện tích chạy qua. Kí hiệu được minh họa như hình 2.5: kí hiệu của memristor Nếu mối quan hệ giữa từ thông và điện áp được thể hiện như một chức năng của điện tích thì nó là một memristor điều khiển điện tích và khi nó được thể hiện như là một chức năng của từ thông thì nó là một memristor điều khiển từ thông [6]. Với memristor điều khiển điện tích thì: 𝜑(𝑡) = 𝑓(𝑞) (2.1) Cách thể hiện (2.2) 𝑑𝑞 𝑑𝑞 𝑑𝑡 𝑑𝜑 𝑑𝑞 Mà ta có: điện áp 𝑣 (𝑡 ) = và dòng điện 𝑖(𝑡 ) = nên (2.2) có thể viết lại như 𝑑𝑡 𝑑𝑡 sau: 𝑣(𝑡) = 𝑀(𝑞)𝑖(𝑡) (2.4) 𝑑𝑞 M(q) là trở kháng nhớ, đơn vị là ohm tương tự như điện trở.

Tương tự như các phương trình trên ta có thể viết một thông lượng memristor điều khiển từ thông 𝑞(𝑡) = 𝑓(𝜑) (2.5) Cách thể hiện (2.6) 𝑑𝑡 𝑑𝜑 𝑑𝑡 𝑑𝑞 𝑑𝜑 Mà ta có: dòng điện 𝑖(𝑡 ) = và điện áp 𝑣 (𝑡 ) = nên (2.6) có thể viết lại như 𝑑𝑡 𝑑𝑡 sau: 𝑖(𝑡) = 𝑊(𝜑)𝑣(𝑡) (2.7) 11 Luan van Chương 2: Memristor Trong đó: 𝑑𝑓 (𝜑) 𝑊 (𝜑 ) = (2.8) 𝑑𝜑 W(φ) được gọi là cảm kháng (memductance) và tương tự như cuộn cảm, nó có đơn vị là Siemens. Trở kháng nhớ (memristance) Trở kháng nhớ là một tính chất của memristor. Khi luồng điện tích chạy qua thiết bị theo một hướng, thì trở kháng của thiết bị tăng lên. Còn khi luồng điện tích chạy theo hướng ngược lại thì trở kháng của thiết bị giảm.

Khi mà điện áp đặt vào thiết bị bị ngắt, tức là luồng điện tích ngừng, thì memristor vẫn nhớ trạng thái trở kháng cuối ngay trước khi tắt nguồn cấp. Khi mà cấp điện áp trở lại thì trở kháng của thiết bị cũng sẽ giống như là trở kháng cuối cùng mà nó lưu trữ được trước khi ngắt nguồn. Mỗi memristor được mô tả bởi một hàm trở kháng nhớ, mô tả tốc độ thay đổi từ thông dựa trên điện tích chạy qua thiết bị.9) 𝑑𝑞(𝑡) 𝐼 (𝑡 ) Biểu thức này cho thấy rằng trở kháng nhớ xác định một mối liên hệ tuyến tính giữa dòng điện và điện áp khi điện tích không thay đổi. Miễn là M thay đổi ít, ví dụ ta sử dụng nguồn cấp xoay chiều, thì memristor có thể xem như là một điện trở có trở kháng cố định.

Tính chất của memristor Memristor là một nhân tố 2 cực thụ động, mô tả mối quan hệ của điện tích chạy qua thiết bị (tích phân theo thời gian của dòng điện) với từ thông; hay có thể định nghĩa memristor là một thiết bị bán dẫn 2 cực mà trở kháng của nó phụ thuộc vào độ lớn và cực tính của điện áp đặt vào nó và thời gian mà điện áp đó tác động vào. Khi mà ta ngưng điện áp này thì memristor vẫn ghi nhớ trở kháng gần nhất của nó cho đến lần tiếp theo tác động vào nó bất chấp thời gian sau đó là bao lâu, có thể là một vài ngày hay một vài năm sau. 12 Luan van Chương 2: Memristor Cái tên của nó ngụ ý rằng, memristor có thể “nhớ” dòng điện đã chạy qua nó là bao nhiêu. Đáng chú ý nhất là nó có thể lưu trạng thái điện tử của nó thậm chí cả khi dòng điện đã được ngắt, điều này giúp ta có thể thiết kế một bộ nhớ lưu trữ mới sử dụng memristor để thay thế cho bộ nhớ flash hiện nay.

Memristor có đặc tính cũng khá giống trở kháng. Giả sử xem một điện trở như là một cái ống mà dòng nước chạy qua nó. Xem dòng nước như là điện tích. Khả năng cản trở dòng điện tích của điện trở được xem như là độ lớn đường kính của ống: ống càng nhỏ, trở kháng càng lớn.

Trong lịch sử thiết kế mạch, các điện trở có bán kính ống nước cố định. Nhưng một memristor là ống nước mà có thể thay đổi đường kính ống bằng lượng nước và hướng chảy của luồng nước chạy qua nó. Nếu cho nước chảy vào theo một hướng, thì ống sẽ lớn lên (trở kháng giảm), nhưng nếu nước chảy theo hướng ngược lại thì ống sẽ bị co lại (trở kháng tăng). Hơn nữa, khi ngưng cấp nước thì memristor vẫn nhớ đường kính của nó khi nước chảy qua lần cuối cùng.

Ta thấy, ống nước không lưu trữ nước mà nó chỉ nhớ đã có bao nhiêu nước chảy qua nó.6: Sơ đồ minh họa memristor qua dòng điện và độ lớn của ống Nguyên nhân mà memristor khác cơ bản so với các nhân tố mạch căn bản khác là nó có khả năng nhớ. Khi ngưng cung cấp điện áp cho nó thì nó vẫn tiếp tục nhớ đã có bao nhiêu điện áp được đặt vào và đã đặt vào bao lâu. Kết quả này không thể đạt được ở bất cứ nhân tố mạch căn bản nào, vì thế mà memristor được xem như là một 13 Luan van Chương 2: Memristor nhân tố mạch căn bản. Về mặt kĩ thuật thì cơ chế này có thể được tái tạo bằng cách sử dụng nhiều transistor và tụ điện nhưng như thế thì quá tốn kém và phức tạp.

Một memristor lý tưởng là một thiết bị điện tử 2 cực thụ động, và chỉ mô tả duy nhất đặc tính trở kháng nhớ. Tuy nhiên, rất khó để xây dựng được một memristor tinh khiết như vậy khi mà tất cả thiết bị thực tế đều chứa một lượng nhỏ đặc tính khác. Hai tính chất đáng chú ý nhất của memristor đó là: thứ nhất, tính chất nhớ của nó, thứ hai là kích thước nano siêu nhỏ. Tính chất và khả năng nhớ của memristor cho chúng ta nghĩ về nhiều phương pháp máy tính siêu nhỏ mới.

Với một thiết bị kích thước nano thì mật độ tích hợp sẽ rất cao và tốn ít năng lượng. Thêm nữa, quá trình sản xuất các thiết bị nano thì đơn giản hơn và rẻ hơn việc sản xuất sử dụng công nghệ CMOS truyền thống. Các thuộc tính memristor 2.