תופעת היסטרזיס, שבה מערכת "זוכרת" את מצבה, מופיעה לעתים גם במקומות לא צפויים, למשל בכריות, בבקרה תרמית ובזיכרונות מחשבים. לתופעה נודעת חשיבות רבה בימינו, כשחוקרים מחפשים טכנולוגיות חדשות למימוש זיכרונות.

נכתב בשיתוף רוני רונן (כותב אורח).

אם תניחו את ראשכם על כרית חדשה תרגישו כיצד היא נמעכת, וכשתקומו תראו איך היא חוזרת באטיות למצבה הנפוח. אך אם ינסה זאת מָאן דהו בכרית ישנה היא לא תחזור למצבה ההתחלתי, ולפיכך, כמו הדובים של זהבה, כשתחזרו לביתכם תוכלו להבחין שמישהו שכב על הכר שלכם. במקרה זה, אם תרצו להחזיר את הכרית למצבה הנפוח תצטרכו לנערה היטב. 

נוכל לומר שהכריות "זוכרות" את המצב שלהן. נגדיר להן שני מצבי זיכרון, "מצב נפוח" ו"מצב מעוך": הנחת הראש על הכרית גורמת למעבר ממצב "נפוח" למצב "מעוך", והרמת הראש גורמת לכרית לחזור למצב "נפוח" לאחר השהיה, בעוד הכרית הישנה נשארת במצב "מעוך" עד שמנערים אותה. לתופעה זו קוראים היסטרזיס (חֵשֶל) [1]. יש מערכות, כמו הכרית הישנה, שמצבן נשמר לזמן ארוך אלא אם נעשית עליהן פעולה מסוימת ("rate independent hysteresis"), ויש כאלו שמצבן יכול להשתנות אחרי השהיה. (אגב, הכרית שלי חזרה ל"מצב נפוח" אחרי 4 שניות. ושלכם?) 

דוגמה אחת לשימוש נפוץ בהסטרזיס היא בקרה תרמית [2]: נדמיין שאנו מתכננים תנור, ורוצים להשתמש בחיישן שיפסיק את החימום ב-105 מעלות ויחדש אותו כאשר הטמפרטורה תרד. יש בעיה: כשהתנור יגיע למעט יותר מ-105 מעלות, החימום אכן יופסק והתנור יתקרר במקצת, אולם מיד יתחיל שוב להתחמם וחוזר חלילה. כדי למנוע זאת נבנה מערכת עם היסטרזיס לצורך השהיה: נשתמש בשני חיישני טמפרטורה, האחד יזהה שהטמפרטורה מתחת ל-95 מעלות ויגרום להפעלת החימום, והשני יזהה שהתנור מעל 105 מעלות ויפסיק את החימום. נניח שבהתחלה הטמפרטורה נמוכה מ-95 מעלות, ולכן החיישן הראשון יפעיל את החימום. בהמשך, אם התנור יתחמם מעבר ל-105 מעלות, החיישן השני ייכנס לפעולה ויפסיק את החימום. כשהתנור יתקרר מתחת ל-95 מעלות, החימום שוב יופעל, וחוזר חלילה.  

אם נמדוד את הטמפרטורה שבתנור ונראה שהיא בת 100 מעלות, לא נוכל לדעת אם החימום פעיל. לצורך זה נצטרך לבדוק את הבקר החשמלי השולט על התנור, שבתוכו יש תא זיכרון ששומר את מצבו: החימום מופעל או מופסק. מצב זיכרון זה מתחלף בשתי טמפרטורות הקצה ושומר את ערכו ביניהן. נוכל לדמות זאת למשחק לשחרור עצבים עם כרית: נלחץ על כרית נפוחה (אנלוגי למצב של "חימום פועל"), עד שהיא תהיה מעוכה לגמרי, ואז נשחרר אותה (נעבור למצב "חימום מופסק"), וחוזר חלילה. זמן השחרור נותן לנו אפשרות לקחת אוויר לנשימה ו"מייצב את המערכת".

דוגמה פשוטה זו דומה לטכנולוגיה שמשתמשים בה כיום לקירור המעבד הראשי במחשבים ניידים (למשל: [3]), כאשר חיישן הטמפרטורה שנמצא על המעבד מגלה שהוא התחמם יתר על המידה, נניח 105 מעלות, המערכת מאִטה את קצב פעילות המעבד ומקררת אותו על ידי הקטנת תדר הפעולה והמתח שעליו.

תחום אחר שבו היסטרזיס משחק תפקיד מרכזי הוא תחום זיכרונות המחשב, השומרים את ערכם ללא מתח חשמלי. כדי לשמור מספר בזיכרון נוכל להשתמש למשל בכריות ישנות: לשמירת "0" נמעך כרית, ולשמירת "1" ננער אותה. כך השתמשנו בתכונות הפיזיקליות של הכרית (צפיפות הסיבים) לשמירת המידע. שיטה חכמה יותר היא שימוש בתכונות מגנטיות, כמו של ברזל, לשמירת נתונים, כפי שנעשה בדיסק קשיח במחשבים: כשמזרימים זרם חשמלי בסליל נוצר שדה מגנטי, וכשמקרבים אליו פיסת ברזל היא הופכת למגנט ונשארת כך גם כשמפסיקים את הזרם. אם נהפוך את זרם החשמל לכיוון השני יווצר שדה מגנטי בקוטביות הפוכה, שיהפוך את הפיסה ללא-ממוגנטת. בשיטה זו שומרים בדיסק קשיח במחשב מידע דיגיטלי של אפס או אחד, באמצעות שני המצבים: "ממוגנט" או "לא-ממוגנט".

אולם טכנולוגיה זו התיישנה, כמו גם הטכנולוגיה הפופולרית שהחליפה אותה, "זיכרון הבזק" (פלאש) [4]. החוקרים מחפשים התקנים חדשים למימוש זיכרונות באמצעות ניתוח עקומות היסטרזיס. אחת השיטות שנראית מבטיחה היא התקן הנקרא ממריסטור [5], שבו המידע (אפסים או אחדות) נשמר באמצעות מידת ההתנגדות החשמלית להולכה דרכו. מחקרים גילו שאכן ניתן לבנות התקנים כאלו. על ידי הפעלת זרם חשמלי בכיוון אחד נוכל לקבע את התנגדותם לערך גבוה, ועל ידי הפעלת הזרם בכיוון השני  - לערך  נמוך. 

בפוסט המשך נספר על מחקרים חדשים המדגימים אפשרויות להשתמש בטכנולוגיה זו למימוש חזון רב שנים: שילוב חישובים בתוך זיכרונות מחשבים. בינתיים, אנו מזמינים אתכם לשים ראש על הכר ולחשוב: "איפה חוויית היסטרזיס פוגשת אותי בחיים?"

הערות והרחבות:

[1] היסטרזיס

[2] בקרה תרמית

[3] טכנולוגית speedstep של אינטל

[4] טכנולוגית פלאש ("הבזק") 

[5] ממריסטור