Память на мемристорах будет работать подобно мозгу человека

Фото с сайта www.3dnews.ru

В апреле Hewlett Packard доказала факт сущеcтвования мемристоров. Мемристоры — четвертый элемент электротехнической теории цепи, наряду с резисторами, емкостями и индуктивностями. Сейчас HP продемонстрировала, как можно контролировать мемристор, который изменяет сопротивление в зависимости от протекающего по нему тока, и тем самым сделала шаг в направлении создания прототипа и выпуска нового запоминающего устройства — RRAM (resistive random-access memory) — к 2009 году.

"Мы сейчас получили экспериментальное доказательство того, что наши мемристоры ведут себя согласно теории", — сказал Дункан Стюарт (Duncan Stewart), основной исследователь мемристоров в HP Labs. "К тому же, мы продемонстрировали как можно управлять мемристорными структурами, что позволит в скором времени построить работающие микросхемы."

Мемристор представляет собой двухстороннюю и двухслойную структуру. Слои из оксида титана зажаты между двумя металлическими электродами перемычкой. Один слой оксида титана покрыт кислородными вакансиями, что делает его полупроводником, соседний слой этого покрытия не имеет и играет роль изолятора. По наличию сопротивления между электродами можно определить состояние памяти — включенное или выключенное.

С одним слоем оксида титана, имеющим в обычных условиях свойства изолятора, память переключается в выключенное состояние. Прикладывая напряжение к перемычке, кислородные вакансии переходят в слой оксида титана без специального покрытия, и устройство переключается во включенное состояние. Аналогично, изменив направление тока, кислородные вакансии возвращаются обратно, и устройство "выключается". Большое преимущество мемристора в том, что изменения сопротивления энергонезависимы и сохраняются до тех пор, пока не будет подано обратное напряжение. На данный момент, время переключения оставляет около 50 нс.

"Ученые долгое время работали над материалами, способными изменять сопротивление подобно мемристорам, но были неизвестны причины такого поведения", — говорит Стюарт. "Наша демонстрация дает этому механизму очень серьезное обоснование. Мы знаем что при этом происходит — кислородные вакансии изменяют характеристики контакта металл-оксид."

Тем не менее, знание того, что кислородные вакансии изменяют сопротивление оксида титана недостаточно для проведения технических испытаний над материалом. Исследователям также необходимо было детальное описание параметров этого материала. Первоначально предполагалось, что кислородные вакансии являются причиной объемных свойств металл-оксидного материала. Теперь же известно, что изменения в наноструктуре контакта оксида и металла в электроде оказывают большее влияние на изменение сопротивления мемристора.

"Мы доказали экспериментально, что кислородные вакансии изменяют электронный барьер контакта металл-оксид", — сказал Стюарт. Исследователи также утверждают, что мемристорный материал работает благодаря снижению барьера Шоттки (электронный барьер контакта между металлом и полупроводником), а не из-за изменения объемных характеристик оксида титана.

Исследователи разработали решение для выполнения детального исследования взаимодействий между слоями мемристора, размещая экспериментальный образец на чипе горизонтально, а не вертикально. "Мы использовали монокристаллический оксид титана, чтобы встроить мемристор в полупроводниковый прибор с вертикальной структурой", — сказал исследователь HP Labs Джош Янг (Josh Yang). Таким путем мы можем исследовать взаимодействие слоев отдельно и определить какой их них оказал влияние на свойства мемристора.

HP Labs изготовила горизонтальные устройства в нескольких конфигурациях для полного описания свойств мемристора. Горизонтальные устройства также позволяют оценить электрические параметры каждого слоя в различных условиях, создавая базу знаний для постройки основанных на мемристорах КМОП-полупроводников. "Теперь мы знаем как проектировать новые устройства, имеющие особые электрические характеристики", — сказал Янг. "Например, для выключения мемристора положительным напряжением слой оксида титана должен располагаться сверху. Для включения мемристора этим же напряжением слои нужно поменять местами".

Прототип представленных HP Labs чипов будет использоваться в RRAM. Металлические линии, расположенные между собой на расстоянии менее 50 нм, служат нижними электродами, а в верхнем электроде они выстроены перпендикулярно. Между металлическими линиями инженеры планируют поместить двойной слой диоксида титана, один из слоев будет иметь покрытие из кислородных вакансий, а другой — нет. Пуская ток между двумя металлическими линиями — одна находится сверху, другая снизу — устройство может адресовать индивидуальный битовый элемент, изменяя их сопротивление.

HP Labs планирует представить прототип RRAM-микросхемы на мемристорах в 2009 году. Это также потребует использования перемычек для точного фиксирования изменения сопротивления в микросхеме. Утверждается, что массив из мемристоров с настраиваемыми сопротивлениями может обучаться подобно человеческому мозгу. В мозге синапс всякий раз усиливается, когда по нему протекает ток. Таким же образом понижается сопротивление, когда по мемристору протекает ток. Такие нейронные сети могут учиться приспосабливаться, пуская ток любом необходимом направлении.

"Создание RRAM-памяти — наша ближайшая цель, но в более отдаленной перспективе мы хотим преобразовывать вычисления с помощью адаптивных контролирующих контуров с функцией обучения", — говорит Стюарт. Аналоговые цепи, использующие электронный синапс, потребуют 5 лет исследований.

По оценкам разработчиков, через 5 лет появятся первые прототипы аналоговых мемристоров, их коммерческое применение начнется приблизительно через 10 лет.

Информация с сайта www.3dnews.ru.

Автор оригинального текста:  Андрей Горьев.