Физтехам МФТИ удалось разрешить фундаментальное противоречие, которое долго сдерживало развитие нейроморфных вычислительных систем. Новый нейрочип способен не просто имитировать работу биологических синапсов человека, но и обеспечивает хранение информации.
Мемристоры меняют свое сопротивление под действием приложенного напряжения и сохраняют это состояние после отключения питания. Однако разработчики стоят перед выбором: либо быстрое обучение за счет эффективной смены проводимости, либо надежное хранение данных, но низкая гибкость, необходимая для обучения.
Структура мемристора слоистая и первоначально была такой: металлический электрод, затем сегнетоэлектрическая пленка оксид гафния-циркония и другой металлический электрод. Для его работы необходимо переключить сегнетоэлектрическую поляризацию в оксиде гафния-циркония и тем самым изменить потенциальный барьер структуры, а значит и сам токовый транспорт. Но из-за того что сегнетоэлектрическая пленка — зернистая, ток шел по границам зерен, вместо однородного движения через пленку. Соответственно, модулировать направление электронов переключением поляризации в такой системе невозможно.
В итоге исследователи решили, что нужно использовать полупроводниковый электрод. Как только поляризация переключается, электроны подбегают к границе раздела и быстро экранируют поляризацию. В полупроводнике электронов меньше, и они хуже экранируют поляризацию и могут регулировать ток даже под границами зоны. Казалось бы, мемристор работает, но побочным явлением была невозможность хранения информации.
Таким образом, физтехи сфокусировались не на химическом составе, а на физике процессов, происходящих на границе раздела полупроводника и сегнетоэлектрика. В основе их мемристора лежит сегнетоэлектрический материал Hf0.5Zr0.5O2 (HZO), который может менять свою поляризацию под действием электрического поля. В сочетании с полупроводниковым слоем аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:H) эта структура представляет собой сложную систему, где переключение поляризации тесно связано с захватом и высвобождением электронов на ловушках у границы раздела.
В итоге поведение мемристора определяется игрой двух независимых переменных: состоянием сегнетоэлектрической поляризации, которое отвечает за долговременную память, и динамикой заполнения дефектов на границе раздела, которая управляет синаптической пластичностью. Изменение длительностью управляющего импульса позволяет переключать устройство между режимом «ученика», способного быстро запоминать и забывать, и режимом «архиватора», надежно хранящего информацию.
В результате время хранения информации в двух состояниях (ON и OFF) выросло с нескольких секунд более чем до 10⁶ секунд (более 11,5 дня), а число циклов перезаписи увеличилось в 20 раз, достигнув 8 млн циклов.
В сверхтонких слоях сегнетоэлектрика, порядка 5 нанометров, заряженные дефекты на границе с кремнием создают мощное внутреннее поле, которое «сталкивает» мемристор в режим высокой пластичности, заставляя его быстро забывать записанное состояние, но увеличение толщины сегнетоэлектрического слоя до 8 нанометров дало ученым возможность ослабить это разрушительное внутреннее поле.
Созданный мемристор может стать фундаментом для нового поколения процессоров искусственного интеллекта, которые будут потреблять значительно меньше энергии и быстрее обучаться, приближаясь по эффективности к человеческому мозгу. Кроме того, возможность интеграции таких устройств в одну микросхему с традиционной электроникой обещает сделать нейроморфные вычисления более компактными и доступными.