Современная электроника №8/2023

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 9 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 8 / 2023 фессором Леоном Чуа из Калифор - нийского университета в Беркли о возможности создания нелинейного пассивного электрического компонен - та с двумя выводами , который связы - вал бы электрический заряд и магнит - ный поток [8]. Это устройство , получившее назва - ние «memristor» ( мемристор ), пред - ставляет собой электрический ком - понент , который ограничивает или регулирует протекание электриче - ского тока в цепи и запоминает коли - чество заряда , прошедшего через него ранее . Коллектив учёных из калифор - нийской лаборатории HP Labs созда - ёт в 2008 году физическую модель , в которой логически возникает мемри - стор как недостающий элемент макро - сети , содержащей резистор , ёмкость и индуктивность . Проанализировав уравнения электродинамики , описы - вающие поведение этих элементов в двухполюснике при различных режи - мах тока и напряжения , они показали на простом аналитическом примере , что мемристор естественным образом возникает в наноразмерных системах , в которых твердотельный электронный и ионный транспорт связаны под дей - ствием внешнего напряжения смеще - ния . При этом R, C, L и M ( мемристор ) в своих определяющих уравнени - ях могут быть функциями независи - мой переменной , что в результате даёт нелинейные элементы . Эта модель послужила основой для понимания широкого диапазона гисте - резисных вольтамперных характери - стик , наблюдаемых во многих нано - размерных электронных устройствах , которые связаны с движением заря - женных атомных или молекулярных частиц ( рис . 1). В течение последних нескольких десятилетий разрабатывались раз - личные типы мемристоров . Основ - ное число исследований в конце 90- х и начале 2000- х проводилось с исполь - зованием различных полупроводнико - вых или изоляционных тонкоплёноч - ных устройств из семейства биполярных переключателей , активируемых напря - жением . В ряде работ было показано , что подобные нелинейные компоненты можно использовать не только в роли динамической памяти , но также и для выполнения некоторых логических опе - раций . Например , авторы публикации [9] продемонстрировали , что с помо - щьюмемристоров возможно выполне - ние операций материальной имплика - ции (material implication – IMP), которая представляет собой одну из фундамен - тальных операций булевой логики (Boolean logic operation). Поэтому мем - ристоры могут применяться в логиче - ских устройствах , выполняя одновре - менно функции вентилей и памяти . Несколько лет назад стали появлять - ся статьи с результатами эксперимен - тов , в которых использовались мемри - сторы интерфейсного типа на основе ферроэлектриков (ferroelectric). В рус - скоязычной научной литературе вме - сто этого названия часто используется термин « сегнетоэлектрики », предло - женный И . В . Курчатовым , который является одним из основателей тео - рии сегнетоэлектричества . Ферроэлектрики представляют собой широкий класс диэлектриков , в том числе включая некоторые ион - ные кристаллы и пьезоэлектрики . Эти вещества обладают в определённом интервале температур собственным электрическим дипольным момен - том , который может быть переориен - тирован за счёт приложения внешне - го электрического поля . Зависимость поляризации ферроэлектриков от внешнего электрического поля , име - ющая вид петли гистерезиса , объясня - ется тем , что индукция и поляризован - ность ферроэлектрика определяются как текущим значением напряжён - ности поля , так и предшествовавши - ми состояниями поляризации . Так , в работе [10] приведены харак - теристики переключателя постоянно - го / переменного тока на мемристорах AlOx, изготовленных с использовани - ем двухслойной технологии . Показа - но , что двухслойные мемристоры (W/ AlOx/AlOy/Pt), протестированные в этой лаборатории , показали следую - щие основные характеристики : высо - кую однородность по постоянному току ; цикличность (r/l < 0,12); боль - шое окно памяти в режиме перемен - ного тока (> 100); большую скорость переключения ( около 20 нс ); высокую износостойкость (107 циклов ); высо - кую температурную стабильность (104 с при 125° С ). Более того , мемри - стор W/AlOx/AlOy/Pt можно отнести к устройствам стабильной многоуровне - вой памяти III разряда . Эти и другие аналогичные исследо - вания заложили основу для разработок устройств молекулярной памяти , осно - ванных на управляемом двустороннем переключении молекулы между двумя проводящими состояниями . Множество новых работ посвящено разработкам устройств , предназначен - ных для искусственного интеллекта . Тема создания нанокомпонентов для искусственных нейронных сетей являет - ся очень модной в последние годы . Для того чтобы отметить актуальность дан - ной тематики , достаточно сказать , что подобнымиисследованиями занимаются среди прочих такие гигантыиндустрии , как , например , IBM и AnalogDevice, раз - рабатывающие сверхбыстрые нанопе - реключатели на основе протонных про - граммируемых резисторов (Protonic Programmable Resistor – PPR) [11]. Протонные резисторы (PPR) пред - ставляют особый новый класс устройств , о котором мы постараем - ся рассказать в следующих номерах журнала . Идея этого нового направления заключается в том , чтобы создать элек - тронные переключатели , коммутиру - ющие сигналы аналогично тому , как функционируют синапсы , распределя - ющие информацию между нейронами головного мозга человека . В классической интерпретации ней - роморфные вычисления (Neuromorphic computing) имитируют обработку информации мозгом . Иными словами , они могут выполнять сложные зада - чи с разбиением главной проблемы на параллельные упрощённые , одно - временно решаемые подзадачи , с фик - сацией результатов в промежуточной памяти . Эту задачу разработчики пыта - лись решить разными способами , в том числе и с помощью отмеченных выше методов , когда в качестве крите - рия переключения используются либо собственные характеристики молекул , либо взаимодействия типа « электрод – молекула », либо внешнее воздействие с помощью электромагнитного поля . Подобный тип лабораторной уста - новки описан , например , в работе [12], в которой представлены результаты тестирования искусственного синап - тического устройства на основе моле - кулярного ферроэлектрического полу - проводникового интерфейса (molecular ferroelectric semiconductor interface). Упрощённая схема этого устрой - ства показана в верхней части рис . 4. На нижнем рисунке приведена опти - ческая микрофотография устройства с масштабной линейкой 30 мкм . На этом рисунке устройство имеет каналы дли - ной 5 мкм при отношении ширины к длине , равном примерно пятидесяти .