Олимпиада "Наноэлектроника"
Неофициальный сайт

В апреле с.г. исследователи Hewlett Packard Laboratories (Palo Alto, Калифорния, США) заявили, что они «переоткрыли» мемристоры, теоретически предсказанные проф. Leon Chua из University of California at Berkeley в 1971 г. Руководитель работ в HP Labs – R. Stanley Williams. Мемристор – является четвертым элементом к уже известным трем (рис.1).

Мемристор (от английского memory+resistor) – это резистор, сопротивление которого увеличивается при увеличении тока, пропускаемого через него, т.е., резистор, который «помнит» величину пропускаемого тока. Исследователи HP Labs продемонстрировали способ управления мемристорным материалом. Они надеятся на быструю разработку на основе мемристора коммерческого прототипа резисторной оперативной памяти – RRAM (resistive random-access memory).

Разрабатываемый в HP Labs мемристор – это двухконтактный прибор типа «сэндвич», состоящий из двух взаимно перпендикулярных металлических электродов (crossbars) и двухслойкой из двуокиси титана. Один слой – диоксид титана, «легированный» кислородными вакансиями, которые делают его полупроводником, и второй слой – чистый изолирующий диоксид титана.

Когда один из слоев диоксида титана находится в состоянии изолятора, регистрируется состояние «off». При приложении напряжения кислородные вакансии из «легированного» слоя дрейфуют в слой «чистого» оксида, вызывая в нем проводимость и, таким образом, переключатель переходит в состояние «on». Подобным образом, изменяя направление тока, можно заставить кислородные вакансии мигрировать в обратном направлении, возвращая переключатель в состояние «off».

Преимущество мемристора в том, что состояние сохраняется до тех пор, пока не приложено обратное напряжение, т.е., память на мемристрах является энергонезависимой. На сегодня в HP Labs достигнуто время переключения прибора 50 нс.

На рисунке 2 изображение прототипа мемристора, изготовленного в HP Labs – это сэндвич из 17 нанопроводников (верхний электрод) и одного поперечного нанопроводника (нижний электрод), разделенных двухслойкой из 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».
Знания о том, что кислородные вакансии изменяют сопротивление оксида титана, еще недостаточно для управления переключением мемристора. Исследователи первоначально предполагали, что вакансии воздействуют на весь массив оксида, теперь же они знают, что реально события разыгрываются на интефейсе между оксидом и металлическим электродом. Мемристорный материал работает скорее как барьер Шоттки.

Этот новый схемный элемент поможет решить многие сегодняшние проблемы микроэлектроники, в частности, проблему дальнейшего масштабирования. Мемристоры можно делать очень маленькими, не встречаясь с проблемой отвода тепла, возникшей при масштабировании сегодняшнего транзистора. HP уже испытывает мемристорный материал в конструкции, содержащей до 100 млрд. «кроссбаров» на кв.см.

HP Labs в настоящее время работает над первым прототипом чипа, чтобы можно было продемонстрировать способность мемристоров выполнять различные схемные функции. Исследователи планируют изготовить резисторную оперативную память – RRAM. HP Labs планирует продемонстрировать прототип RRAM в 2009 г.

Утверждается, что массив из мемристоров с настраиваемыми сопротивлениями может обучаться подобно человеческому мозгу. В мозге синапс (рис.3) 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. Кроме того, исследователи планируют построить на базе мемристоров и аналоговые схемы. На разработку и изготовление первого прототипа аналоговой схемы на мемристерах, по оценкам, потребуется 5 лет, а на запуск массового производства – 10 лет.