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.
