Все новости

Физики из России значительно повысили долговечность рукотворных аналогов нейронов

Ученые использовали для их производства рутений

ТАСС, 18 ноября. Российские ученые выяснили, что долговечность мемристоров, рукотворных аналогов нейронов, можно на несколько порядков повысить, используя рутений для их производства и увеличив количество дефектов и шероховатостей на поверхности электродов из этого металла. Об этом в среду сообщила пресс-служба МФТИ со ссылкой на статью в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

"Наши результаты помогут понять, как можно существенно улучшить ячейки памяти нового типа на базе рутения. Повышение толщины его пленки приводит к увеличению шероховатости поверхности электрода, при этом на склонах зерен формируются области локальной концентрации электрического поля. Это значительно улучшает ключевые характеристики мемристоров и дает надежду на то, что в будущем устройства памяти будут иметь лучшую производительность и надежность", - заявил Андрей Маркеев, заведующий группой атомно-слоевого осаждения МФТИ, чьи слова приводит пресс-служба вуза.

Современные компьютеры работают на базе простейшей дискретной логики - их элементарные ячейки памяти и вычислительные модули могут воспринимать и обрабатывать только нули и единицы. Это предоставляет практически неограниченные возможности для математических вычислений при достаточно высоком числе и тех, и других элементов.

Ученые достаточно давно знают, что мозг работает принципиально иным образом. В отличие от полупроводниковых вычислительных машин, наши нейроны могут одновременно хранить информацию и обрабатывать ее, воспринимая множество разнородных аналоговых сигналов. Нервные клетки способны сложным образом суммировать их, а также менять свою чувствительность к отдельным наборам подобных импульсов, по-разному реагируя на те или другие стимулы.

Физики пытаются воспроизвести подобные свойства нейронов, используя так называемые мемристоры - резисторы с эффектом памяти. Они отличаются от обычных резисторов тем, что сопротивление мемристора зависит от того, как до этого через него проходил ток. Благодаря этому мемристор обладает "памятью" и способностью менять записанные в нем данные, что сближает его по свойствам с нервными окончаниями.

Память компьютеров будущего

Главная проблема мемристоров, как отмечают Маркеев и его коллеги, сегодня заключается в том, что большинство существующих их версий очень быстро теряет свои свойства, выдерживая лишь несколько сотен циклов записи. Подобных проблем можно избежать, используя платину в качестве одного из компонентов ячейки памяти, однако этот металл не совместим с существующими методами "печати" микросхем.

Российские ученые достаточно давно пытаются решить эту проблему, используя рутений - еще один металл из группы платины, не имеющих подобных проблем с совместимостью. Вдобавок рутениевые электроды можно получать методом атомно-слоевого осаждения, что позволяет гибко управлять их размерами и трехмерной формой.

Воспользовавшись этой особенностью рутения, физики из МФТИ и их коллеги из Южной Кореи выращивали рутениевые электроды разной толщины и формы на поверхности пленки из нитрида титана, одного из традиционных компонентов мемристоров. После этого ученые соединяли этот "бутерброд" с прослойкой из окиси таллия и отслеживали то, как изменения в структуре и толщине электрода влияли на свойства всей ячейки памяти в целом.

Как оказалось, увеличение толщины электрода вело к появлению все большего числа шероховатостей и дефектов на его поверхности, однако это было не минусом, а плюсом с точки зрения качества работы мемристора. Такие устройства выдерживали десятки миллионов циклов записи и чтения, на несколько порядков превосходя ячейки на базе платины и более тонких рутениевых электродов. Кроме того, уменьшилось напряжение, необходимое для переключения мемристора, а также другие его физические свойства.

Открыв этот феномен, российские и корейские исследователи попытались дать ему теоретическое объяснение. Их расчеты показали, что улучшение свойств мемристоров было связано с локализацией электрического поля на склонах наиболее крупных зерен из рутения, возникавших на поверхности пленок в процессе наращивания их толщины. Это предположение было впоследствии подтверждено с помощью проводящей атомно-силовой микроскопии.

Как надеются физики, их разработка значительно ускорит развитие мемристорной электроники и позволит ей стать основой компьютеров будущего уже в ближайшие годы или десятилетия, потеснив классические полупроводниковые вычислительные устройства.