Memristor electronics (are new textbooks needed?)

Full Text

Современная и перспективная элементная база телекоммуникационных устройств строится на основе новых научных знаний: - о природе строения материалов; - о физике твердого тела; - о квантовой, молекулярной, функциональной, мемристорной, полимерной, диэлектрической, одноэлектронике и др. технологиях. Эти новые знания привели, соответственно, к появлению нового оборудования и новых инструментов для исследований, новым технологическим решениям, новым методам конструирования и построения базовых устройств электроники [1; 2]. Цель статьи: - рассмотреть особенности функционирования нового элемента: мемристора как ячейки памяти и как элемента логики цифровой схемотехники; - показать на примере развития мемристорной электроники, что существующие дисциплины по электронике и схемотехнике для телекоммуникационных специальностей требуют дополнения новыми знаниями. Открытие мемристорной электроники Представив взаимосвязь между током, напряжением и сопротивлением для электрической цепи в виде диаграммы (см. рисунок 1), профессор Леон Чуа из университета Беркли в Калифорнии предположил, что логически «напрашивается» существование еще одной связи между этими элементами - между зарядом Q и магнитным потоком Ф [3]. По аналогии с известными соотношениями, связывающими заряд, ток, напряжение и магнитный поток (показаны на рисунке 1), Л. Чуа «предположил» взаимосвязь между магнитным потоком и зарядом в виде , d MdQ Φ= исходя из аналогии, что изменение по времени dФ - это напряжение, а изменение по времени dQ - это ток. Тогда из последнего соотношения следует зависимость вида , U MI = (1) где параметр М, связывающий магнитный поток и заряд, получил условное название «мемристивность», или «мемристор» (см. рисунок 1). При отсутствии тока величина М остается константой, зависящей от величины заряда (длительности протекания тока), что наделяет данный параметр свойствами памяти [4]. На чем же основано это свойство запоминания состояния мемристором? Прежде всего это связано с переходом на наноструктурный уровень Рисунок 1. Электрические двухполюсники [6] материалов В качестве материалов для получения мемристоров чаще всего используют структуры «металл-диэлектрик-металл» (МДМ). Исследования наноразмерных структур на основе диоксида титана [5] показали, что эффект памяти возникает за счет перемещения зарядов (процессов окисления) в сверхтонком диэлектрическом слое при приложении электрического поля. Изменяя величину электрического поля, можно регулировать степень окисления материала, тем самым получая требуемое состояние материала. В 2008 г. группа исследователей из компании HP во главе со Стэнли Уильямсом создала реальный мемристор [6]. Его свойства соответствовали модели, предложенной Л. Чуа. Мемристор представлял собой тонкий слой полупроводникового материала, размещенный между двумя металлическими контактами (см. рисунок 2). Легирующая примесь (положительные ионы) находится в области w. Предложена модель, объясняющая процессы в мемристоре, где полное сопротивление рассматриваемого устройства можно представить как сумму сопротивлений двух переменных резисторов, соединенных последовательно (см. рисунок 2). Легированный участок цепи имеет низкое сопротивление Ron, другой участок - намного более высокое сопротивление Roff. Когда к металлическим контактам прикладывается напряжение, граница между двумя областями смещается. В рассматриваемой модели зависимость между током и напряжением определяется выражением ( ) ( ) () 1 ( ). on off w t w tu t R R it DD   = + -     (2) При этом граница смещается по закону () ( ), () on v Rdw t it d t D =µ (3) где v µ - средняя подвижность ионов. Интегрирование (3) дает формулу для w: ( ) ( ). on v R w t q t D =µ (4) Подставляя (4) в (2) и учитывая, что , on off RR << получаем выражение для мемристивности: 2 ( ) 1 ( ). on off vRM q R qt D µ = -   (5) Выражение (2) при этом приобретает вид (1). Из анализа (5) следует, во-первых, как и предполагалось в модели Чуа, что сопротивление мемристора является функцией заряда q, то есть зависит от суммарного заряда, прошедшего через мемристор. Во-вторых, что мемристивность резко увеличивается с уменьшением D. Для любого материала в наномасштабах значение слагаемого, содержащего D, на порядки выше, чем в микромасштабах, т. е. переход на наноуровни является определяющим для получения эффекта памяти для мемристора. Если к мемристору приложено переменное синусоидальное напряжение определенной частоты, его вольт-амперная характеристика принимает вид, напоминающий фигуру Лиссажу с центром в начале координат (см. рисунок 3). Следовательно, мемристор, в отличие от резистора, обладает гистерезисом. С увеличением частоты напряжения гистерезисная кривая вырождается в прямую линию (см. рисунок 3, а). Если учесть эффекты нелинейности, то на вольт-амперной характеристике мемристора появляются достаточно резкие фронты, соответствующие переходу от состояния с низкой проводимостью к состоянию с высокой проводимостью и обратно (см. рисунок 3, б). Подобное поведение мемристора позволяет использовать его и как элемент памяти, и как логический элемент для цифровой электроники. Принципиальное отличие мемристора от большинства типов современной полупроводниковой памяти и его главное преимущество перед ними заключаются в том, что он при переходе на микросхемы нанометровых масштабов полностью энергонезависим. Его состояние в «режиме хранения» не требует источника питания, причем это состояние может быть неограниченно долгим по времени. В настоящее время уже созданы прототипы устройств, которые реализуют такие свойства. Оригинальная идея Л. Чуа не нашла практического применения «в чистом виде». Многолетним итоговым результатом работы лаборатории компании НР по исследованию эффектов мемристивности было открытие специфической разновидности резистивной памяти RRAM [7]. Эта память по своей сути является аналоговым запоминающим устройством без использования магнитного потока. В комментариях для прессы Л. Чуа назвал новаторскую работу лаборатории HP «сдвигом парадигмы» и не без удовлетворения констатировал: «Что ж, теперь придется вносить изменения во все учебники электротехники» [8]. Значительным достижением компании НР является создание принципиально нового элемента для построения электрических схем. Одним из ведущих разработчиков мемристоров и соавтором научной статьи о них в Nature стал наш соотечественник Д. Струков. Рисунок 2. Структура и эквивалентная цепь мемристора [6] Рисунок 3. Вольт-амперные характеристики мемристора [6]: а - при приложении синусоидального напряжения; б - при учете эффектов нелинейности Развитие мемристорной электроники Обширные исследования посвящены мемристивным свойствам различных материалов при переходе к наноразмерам: полимерные мемристоры; органические (биологические) мемристоры, имитирующие свойства синапов; слоистые мемристоры на основе гетероструктур; атомристоры, основанные на атомарно тонких материалах (пленках); сегнетоэлектрические мемристоры; мемристоры на углеродных нанотрубках; спиновые мемристоры и другие устройства, обладающие свойствами мемристивности [9]. Однако ограничения объема статьи не позволяют детальное рассмотрение указанных устройств в рамках данной работы. Рассмотрим наиболее важные, на наш взгляд, примеры применения мемристоров. Мемристоры в кроссбарах [6]. Кроссбар - это устройство, содержащее набор взаимно пересекающихся нанопроводников, в зоне пересечения которых проложен материал, меняющий свою проводимость под действием электрического поля (см. рисунок 4). В качестве прокладок были задействованы различные материалы, однако с появлением мемристоров именно последние стали применять для этой цели. Последующие исследования показали, что мемристоры очень удачно «вписались» в кроссбар-системы. По мнению исследователей из компании HP, мемристоры наиболее эффективны, когда используется логика, основанная на операции импликации. Здесь необходимо отметить, что импликация совместно с операцией FALSE образует полный логический базис для выполнения двоичных операций в процессорах. На основе кроссбаров с мемристорами можно построить полноценный процесор, поскольку они обеспечивают высокую плотность размещения логических вентилей и ячеек памяти. Мемристор от Тринити-колледжа. Ученые из данного колледжа создали мемристор, который способен запоминать шесть состояний, и утверждают, что ничто не мешает увеличить количество состояний до десяти или более [10]. Новый мемристор не только проводит ток лишь в одном на правлении, но и хранит биты иначе. В обычном мемристоре для хранения двух разных уровней сопротивления нужны два разных уровня напряжения. В мемристоре от Тринити-колледжа с очередным повышением уровня (ступенькой) напряжения сохраняется соответствующее новое состояние. Эти мемристоры с множественными состояниями могут оказаться очень полезны в одной из областей ее исследовательских интересов - нетрадиционных логических системах, основанных на нейросетях. Память RRAM Crossbar. Крупнейший китайский контрактный производитель полупроводников (четвертый по величине в мире) - компания Semiconductor Manufacturing International Corporation (SMIC). Она доложила, что прямо сейчас готова выпускать память RRAM в виде встраиваемых в микропроцессоры и однокристальные схемы блоков [11]. Принцип работы памяти RRAM Crossbar отличается от принципа работы памяти HP. Мемристор HP запоминает состояние благодаря насыщению обедненного слоя ячейки атомами кислорода. Ячейка памяти Crossbar работает на принципе обратимого создания в ячейке из аморфного кремния токопроводящих нитей из ионов серебра. Но внешне оба принципа одинаковы: в обоих случаях сопротивление ячейки изменяется и не теряет своих характеристик после снятия питания. Опытные микросхемы RRAM Crossbar были емкостью до 4 Мбит. Мемристоры Bio Inspired Technologies. Принципиально новый пассивный элемент электроники, мемристор, появился в свободной продаже [12]. Его можно купить у компании Bio Inspired Technologies, продает мемристоры Neu Technologies, продает мемристоры NeuTechnologies, продает мемристоры Neu, продает мемристоры NeuNeuro-Bit в 16-выводном DIP-корпусе. В одном кор-Bit в 16-выводном DIP-корпусе. В одном корBit в 16-выводном DIP-корпусе. В одном кор в 16-выводном DIP-корпусе. В одном корDIP-корпусе. В одном кор-корпусе. В одном корпусе находится восемь мемристоров, цена каждого составляет на данный момент $ 30, то есть все устройство стоит $ 240 (рисунок 5). Компания также предоставляет PDF-документацию на свои мемристоры. Флэшристор. Группа исследователей из университета Бингеля (Bingol University) и университета Билкент (Bilkent University), Турция, разработали новый электронный прибор, получивший название флэшристор, который унаследовал все лучшие черты как мемристоров, так и ячеек флэш-памяти [13]. В отличие от существующих устройств, мемристорный эффект (изменение кристаллической структуры на уровне атомов) в новом устройстве реализован не на локальном уровне, а рассредоточен в более крупной области пространства материала. Структура нового устройства отличается от структуры ячейки флэш-памяти. При соблюдении требований к технологии производства каждый флэшристор сможет находиться в 10 различных состояниях. Перспективы мемристорной электроники В свете изложенного мемристоры применимы: - для хранения данных; - для обработки информации, причем и ту и другую функцию может выполнять один и тот же блок памяти; - в энергоэффективных вычислительных системах с динамической памятью и возможностью сохранения текущего состояния даже после выключения питания; - в усовершенствованных интегральных микросхемах; - для повышения производительности вычислительных систем со снижением тепловыделения и многие другие функции. В 2009 г. Д. Першин, Л. Чуа и др. распространили понятие мемристивных систем на емкостные и индуктивные элементы, свойства которых зависят от состояния и предыстории системы. В 2013 г. Л. Чуа опубликовал учебник, подчеркивающий широкий спектр сложных явлений и приложений, которые охватывают мемристоры, возможности их использования в качестве энергонезависимых аналоговых устройств и имитаторов классических явлений запоминания и обучения. Выделим два «глобальных» направления в развитии мемристорной электроники. Разработки в области искусственного интеллекта. При исследовании мемристорных структур Д. Струков обратил внимание на схожесть функционирования мемристоров и синапсов головного мозга. Компания НР разработала на базе мемристоров устройство - действующий аналог элемента мозга, выполняющий логические операции. Ведутся работы по созданию модели, выполняющей вычисления с функциями самообучения [8]. Создание принципиально новых ЭВМ с высокой производительностью и минимальным энергопотреблением [14]. В компьютере на базе мемристоров нет какого-то единого центра сбора и обработки информации. В нем параллельно и независимо друг от друга работают множество модулей. В принципе не нужны отдельные аппаратные компоненты компьютера - процессоры, видеочипы, память и жесткие диски; машина будет архитектурно однородным устройством, где одновременно будут храниться все данные и проводиться все операции с ними. «Загрузка» компьютера также не потребуется - он будет включаться практически мгновенно с момента прерывания работы [8]. Заключение Стремительное развитие нанотехнологий ведет к тому, что основой для создания элементной базы телекоммуникационных устройств становятся принципиально новые материалы, устройства и приборы. Впервые со времен Фарадея удалось физически воспроизвести принципиально новый элемент электрических цепей, в связи с чем стало актуальным высказывание Л. Чуа о необходимости вносить изменения в учебники электротехники. Сказанное полностью относится к учебникам по телекоммуникационным дисциплинам, которые необходимо, по мнению автора, дополнить новыми знаниями Рисунок 4. Кроссбар с мемристорами [6] Рисунок 5. Мемристоры Neuro-Bit [12]

About the authors

V. A Galochkin

Povolzhsky State University of Telecommunications and Informatics

Email: galochkin.vladimir@yandex.ru
Samara, Russian Federation

References

Supplementary files