நினைவுகொள் மின்தடை

மெம்ரிஸ்டர் (Memristor) அல்லது நினைவுகொள் மின்தடை (memory resistor) என்பது ஒரு புது வகையான இரு மின்முனையம் கொண்ட அடிப்படை மின்னுறுப்பாகும். இப்புதிய மின்னுறுப்பின் கண்டுபிடிப்பை ஏப்ரல் 30, 2008 இல் அமெரிக்காவில் உள்ள "ஹியூலிட் பாக்கார்டு" (Hewlett-Packard) நிறுவனத்தைச் சேர்ந்த "ஆர். ஸ்டான்லி வில்லியம்சு" (R. Stanley Williams) என்பாரும் அவருடைய உடன் ஆய்வாளர்களும் அறிவித்தார்கள். இதனைக் கண்டுபிடிக்கும் முன்பு, மின்னியல் வரலாற்றில், மின்தடையம், மின்தூண்டி, மின்தேக்கி (மின் கொண்மி) ஆகிய மூன்றே மூன்று அடிப்படை மின் உறுப்புகள்தாம் இருந்தன. இந்த நினைவுகொள் மின்தடை என்னும் புதிய உறுப்பானது ஓர் அடிப்படையான நான்காவது உறுப்பாகும். இந்த புதிய மின் உறுப்பின் மின்தடைமமானது காலத்தால் மாறுபடும் மின்னோட்டத்தில் பாயும் மின்மத்தின் அளவால் மாறுபடும் தன்மை உடையது. எனவே பரவலாக அறியப்பட்ட மின்தடையில் உள்ளது போல, மின்னோட்டத்திற்கும் மின் அழுத்தத்திற்கும் இடையே, ஓமின் விதிப்படியான நேர் விகிதம் (சார்பு) இருக்காது. இதனை மின்னோட்ட-மின்னழுத்தத்திற்கு இடையே நேர்சார்பு அற்ற (nonlinear) மின் தடைமம் எனலாம். மின் தடைமத்தின் அளவானது அதனுள் முன்பு பாய்ந்த மின்மத்தின் அளவைப் பொறுத்தது (நினைவுகொண்மை). இக் கருவி திரிதடையம், மாஆமிவிதி (MOSFET) போன்று, மின்குறிபலைகளை மிகைப்படுத்தும் இயல்பு இல்லாத கருவி உறுப்பாகும் (மிகுக்கா மின் உறுப்பு வகை).

அணுவிசை நுண்ணோக்கியின் உதவியால் எடுத்த இந்த மின்சுற்றின் படத்தில் 17 நினைவுகொள் மின்தடைகள் (மெம்ரிஸ்டர்கள்) உள்ளன. இப்படத்தில் உள்ள நுண்ணிழைகள் 50 நாமீ (nm) அல்லது கிட்டத்தட்ட 150 அணுகள் அகலம் கொண்டவை. ஒவ்வொரு நினைவுகொள் மின்தடையும் இருவேறு மின்தடைமம் கொண்ட டைட்டேனியம் டை-ஆக்ஸைடு படலங்கள் கொண்டுள்ளன. அவை மின் முனையத்துடன் இணைக்கப்பட்டுள்ளன. இக் கருவி/மின் உறுப்பிலுள்ள ஒரு டைட்டேனியம் டை-ஆக்ஸைடு படலம் வழியாகமின்னோட்டம் பாயும் பொழுது மற்ற டைட்டேனியம் டை-ஆக்ஸைடு படலத்தின் மின்தடைமம் மாறுகின்றது. இப்படி மாறுவதை ஒரு தரவாக நினைவுகொள்ள இயலும்.

நினைவுகொள் மின்தடையின் கொள்கையை 1971இலேயே பெர்க்கிலி கலிபோர்னியா பல்கலைக்கழகப் பேராசிரியர் லியான் சுவா ஓர் ஆய்வுக்கட்டுரையில் முன்வைத்தார். மின்தடை, மின்தூண்டி, மின்தேக்கி ஆகிய மூன்றோடு கருத்தளவில் மடி ஒப்புமை (symmetry) நோக்கில் நான்காவதாக ஓர் அடிப்படை மின் உறுப்பு இருக்கவேண்டும் என்று எழுதினார். அக்கட்டுரையில், இவ்வகையான கருத்து அவருக்கும் முன்னரே இருந்தது பற்றியும் ஒப்புக்கொண்டுள்ளார்.

ஆனால் லியான் சுவாவின் கருத்திய அறிவிப்புக்கு 37 ஆண்டுகளுக்குப் பின்னர், 2008 இல் ஸ்டான்லி வில்லியம்சும் அவரின் உடனாய்வாளர்களும் அத்தகைய ஒரு கருவியை செய்து காட்டினார்கள். இக்கருவியில் இரு பிளாட்டினம் படலங்களும், அவற்றிற்கு இடையே மிக மெல்லிய டைட்டேனியம் டை-ஆக்ஸைடு படலமும் உண்டு. அதன் வழியாக மின்னோட்டம் பாய்ந்து இயங்கும் நேர்சார்பற்ற நிலைமாறிக் (switch) கருவியை இவர்கள் கண்டுபிடித்தார்கள்.

ஆனால் இதுகாறும் ஹியூலிட் பாக்கார்டு நிறுவனத்தைத் தவிர வேறு யாரும் இத்தகு கருவியைச் செய்து உறுதி செய்யவில்லை. நினைவுகொள்ளும் திறம் இருப்பதால் கணினி நினைவ்கங்களில் பயன்படும் என்றும், அது இயங்க அதிக மின்னாற்றல் தேவை இருக்காது என்றும் கூறப்படுகின்றது. ஆனால் இந்த இருமின்முனைக் கருவிகளை மட்டுமே கொண்டு எண்ணிம ஏரண (டிஜிட்டல் லாஜிக், digial logic) வலைகள் செய்தல் இயலாது என்று எண்ணுகிறார்கள். சுவா அவர்கள் தானே கற்றுக்கொள்ளும் செயற்கை நரம்பிய வலைகள் செய்தல் கூடும் என்று நினைக்கிறார்.

நான்கு அடிப்படை மின்சுற்று உறுப்புகளின் தொடர்புகள்

$V$= மின்னழுத்தம்; $I$ = மின்னோட்டம், $\Phi$ = காந்தப் பாய்மம்.

	மின்மம்	மின்னோட்டம்
மின்னழுத்தம்	மின்தேக்கி ${\frac {1}{C}}={\frac {\mathrm {d} V}{\mathrm {d} q}}={\frac {\mathrm {d} {\dot {\Phi }}}{\mathrm {d} q}}$	மின்தடையம் $R={\frac {\mathrm {d} V}{\mathrm {d} I}}={\frac {\mathrm {d} {\dot {\Phi }}}{\mathrm {d} {\dot {q}}}}$
காந்தப் பாய்மம்	நினைவுகொள் மின்தடைமம் $M={\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} q}}$	மின்தூண்டி $L={\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} I}}={\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} {\dot {q}}}}$

$I(t)={\frac {\mathrm {d} q}{\mathrm {d} t}}$

மற்றும்

$V(t)={\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} t}}$

நினைவுகொள் மின்தடை அல்லது மெம்ரிஸ்டரின் கோட்பாடு

நினைவுகொள் மின்தடையத்தின் மின்சுற்றுக் குறியீடு l

நினைவுகொள் மின்தடை அல்லது மெம்ரிஸ்டர் என்பதின் வரைவிலக்கணம், இரு மின்முனையம் கொண்ட இவ்வுறுப்பின் இரு முனைகளுக்கும் இடையே உள்ள காந்தப் பாய்மம் அதில் பாய்ந்து சென்றுவிட்ட மின்மத்தை, q ஐப் பொறுத்துள்ளது. ஒவ்வொரு நினைவுகொள் மின்தடையும் தான் கொண்டிருக்கும் நினைவுகொள் மின்தடைமம் (மெம்ரெஸிஸ்டன்ஸ்) எனன்வென்றால் அதில் பாயும் மின்மத்திற்கு ஏற்ப, காலத்தால் காந்தப் பாய்மம் மாறும் விரைவைப் பொறுத்தது. கணிதச் சமன்பாடு (ஈடுகோள்)

$M(q)={\frac {\mathrm {d} \Phi _{m}}{\mathrm {d} q}}$

பாரடேயின் தூண்டல் விதியின் படி, காந்தப் பாய்மம் மின்னழுத்த வேறுபாட்டின் தொகைமம் (integral) (வேறு விதமாகக் கூறின், தூண்டப்படும் மின்னழுத்தம் காலத்தால் காந்தப் பாய்மம் மாறும் விரைவுக்கு நேர் சார்புடையது), மேலும் மின்மம் மின்னோட்டத்தின் தொகைமம் (வேறு விதமாக கூறின், மின்னோட்டம் காலத்தால் மின்மம் மாறும் விரைவு). இவ்விரண்டு கருத்துக்களையும் இணைத்து, கீழ்க்கண்டவாறு எழுதலாம்:

$M(q)={\frac {\mathrm {d} \Phi _{m}/\mathrm {d} t}{\mathrm {d} q/\mathrm {d} t}}={\frac {V}{I}}$

இச் சமன்பாட்டில் இருந்து நினைவுகொள் மின்தடைமம் (மெம்ரிஸ்டன்சு, “memristance”) என்பது எளிதாக மின்மத்தைப் பொறுத்த மின்தடைமம் என்று புரிந்து கொள்ளலாம். M(q) என்னும் மின் பண்பு மாறிலியாக இருந்தால் வழக்கமான ஓமின் விதியைப் பெறுவோம். R = V/I. ஆனால் பொதுவாக M(q) அத்தனை எளிமையானதாக இல்லாமல் இருந்தால் மேலுள்ள சமன்பாடு ஓமின் விதிக்கு ஈடானதல்ல, ஏனெனில், மின்மமாகிய q , நினைவுகொள் மின்தடைமமாகிய M(q) வும் காலத்தால் மாறுபடக்கூடிய பண்புகள். மேலுள்ள சமன்பாட்டிலிருந்து மின்னழுத்த்மாகிய V வுக்காக தீர்வு செய்தால்,

$V(t)=\ M(q(t))I(t)$

என்று பெறுவோம்.

எனவே மின்மம் காலத்தால் மாறவில்லை என்றால் நினைவுகொள் மின்தடைமம், மின்னோட்டத்துக்கும் மின்னழுத்தத்திற்கும் இடையே நேர் சார்புடையது. ஆனால் மின்னோட்டம் பாயும் பொழுது காலத்தால் மாறுபடும் மின்மம் இருக்கும்.

மின்னோட்டம் பாயவில்லை என்றால் நினைவுகொள் மின்தடை நிலையாக இருக்கும். I(t) = 0 என்றால் V(t) = 0 என்றும் M(t) மாறியியாகும் என்றும் உணரலாம். இது நினைவுகொள்ளும் தன்மையைக் காட்டுகின்றது.

செல்வாகும் மின் ஆற்றல் திறன், வழக்கமான மின்தடையப் போன்றதே. I²R.

$P(t)=\ I(t)V(t)=\ I^{2}(t)M(q(t))$

மாறு மின்னோட்டத்தின் பொழுது இருப்பது போல M(q(t)) அதிகம் மாறாதிருந்தால், நினைவுகொள் மின்தடை ஒரு வழக்கமான மின்தடை போலவே இயங்கும். ஆனால் M(q(t)) விரைந்து உயருமானால் மின்னோட்டமும், ஆற்றல் திறனும் விரைந்து நின்றுவிடும்.