Автор: Евгений @i-evgeny. В этой статье я попробую объяснить простыми словами причины исследования и перспективы применения нового типа полупроводников – мемристор. Сначала давайте дадим определение мемристору.

Memristor – это электронный компонент, который сохраняет внутреннее сопротивление на основе истории приложенного напряжения и тока (memory – память, resistor – сопротивление). Изменение сопротивления является энергонезависимым, т. е. состояние сопротивления может сохраняться в течение длительного времени после удаления внешнего электрического поля.

Зачем потребовался новый электронный компонент?

Первая причина – это достижение физического предела в размещении транзисторов в интегральной схеме. Все знают закон Мура об удвоении количества транзисторов на кристалле интегральной схемы каждые 2 года, которому пытаются следовать производители микросхем.

• По информации в Википендии о технологическом процессе (последние годы в таблице) физический предел почти достигнут. Для лучшего представления: один нанометр приблизительно равен условной конструкции из десяти молекул водорода, выстроенных в линию.

• Авторы Хабра обращали внимание в своих статьях, что предел в уменьшения транзисторов уже достигнут, и это 20–25 нм (2009–2012 гг.). Дальнейший рост производительности может быть в оптимизации архитектуры.

Проектные нормы в микроэлектронике: где на самом деле 7 нанометров в технологии 7 нм?

Технологии микроэлектроники на пальцах: «закона Мура», маркетинговые ходы и почему нанометры нынче не те. (части1, часть2, часть3)

Вторая причина связана с развитием искусственного интеллекта (ИИ): вычислительные системы сталкиваются с новыми проблемами, связанными с большими объемами данных и увеличением нагрузки на связь между памятью и процессором. Для решения этой вычислительной проблемы требуется новый подход/архитектура. Например, вычисления в памяти (IMC) представляются многообещающим подходом к устранению узких мест в памяти и обеспечению более высокого параллелизма обработки данных благодаря архитектуре массива памяти. IMC демонстрирует лучшую пропускную способность и меньшее энергопотребление по сравнению с традиционным цифровым подходом.

Решение есть, и это мемристор.

Как же работает мемристор?

Мемристор – это частный случай физического явления, которое называется резистивное переключение. Резистивное переключение – это явление, когда сопротивление диэлектрического материала изменяется в ответ на приложение сильного внешнего электрического поля. Но это не «пробой» диэлектрика, так как возможно возвращение в обратное состояние. Первым открыл явление резистивного переключения в 1962 году в пленке оксида алюминия T. W. Hickmott. А в 1971 году L. Chua предложил новый элемент электросхемы – мемристор.

Резистивные переключения происходят во многих изоляционных материалах: оксиды, нитриды, халькогениды, полупроводники, органические материалы. Однако наиболее широко резистивные переключения изучены в оксидах. Устройства для резистивных переключений имеют конфигурацию с двумя выводами, подобную конденсатору, это изображено на рис. 1.

Рис.1. Схема типичных устройств для резистивного переключения: вертикальная и плоская конструкции. T.E. – верхний электрод, B.E. – нижний.

Резистивное переключение происходит при формировании или разрушении токопроводящих нитей в диэлектрике. Процесс образования нитей отображен схематично на рис. 2.

Рис. 2. Схематичное изображение процесса формирования токопроводящих нитей. (a) Pristine state – начальное состояние, (b) Filament formation (LRS) – формирование нити (низкое сопротивление), © Filament rupture (HRS) – разрыв нити (высокое сопротивление).Более подробно о том, как кислородные вакансии влияют на сопротивление

Вольт-амперный процесс преобразования материала в мемристор можно разделить на три этапа:

1. При приложении сильного электрического поля происходит резкое увеличение тока, называемое процессом «формирования», и устройство становится переключаемым. Зеленая линия на рис. 3.
2. Устройство в состоянии низкого сопротивления переходит в состояние высокого сопротивления за счет приложения внешнего смещения, называемого «сбросом». Красная линия на рис. 3.
3. И наоборот, состояние высокого сопротивления можно заменить на состояние низкого сопротивления, называемую «установка». Голубая линия на рис. 3.

Рис. 3. Схематичные кривые ВАХ, показывающие работу резистивного переключения. PS – состояние формирования, LRS – состояние низкого сопротивления, HRS – состояние высокого сопротивления.

Простыми словами, работу транзистора и мемристора можно описать так:

• транзистор: подали напряжение на базу – проводит ток, убрали напряжение – не проводит ток (полупроводник). При этом используется три контакта: эмиттер, коллектор и база
• мемристор: после напряжения установки – проводит ток, после напряжения сброса – не проводит ток (полупроводник). При этом используется два контакта.

То есть мемристор хороший кандидат для электронных схем новой архитектуры.

Преимущества мемристора

Исследование мемристоров и их применения ведется уже длительное время. Один из перспективных способов применения – это RRAM (Resistive random-access memory), резистивная память с произвольным доступом. Прототипы уже исследованы, в таблице ниже можно убедиться в значительных преимуществах некоторых характеристик нового элемента (размер, скорость, время хранения состояния).

Давайте обобщим все преимущества RRAM на мемристоре:

• Два метастабильных состояния, которые можно использовать: состояния «0» и «1» энергонезависимой памяти. Поскольку такие состояния стабильны без внешнего смещения, рабочая энергия для RRAM может быть довольно небольшой.
• В RRAM состояния «0» и «1» можно переключать с помощью внешних электрических импульсов, что делает его работу простой и легкой.
• Значение сопротивления каждого состояния может быть легко считано путем приложения очень небольшого напряжения без нарушения исходного состояния, что позволяет считывать данные без разрушения.
• Простая геометрия конденсатора ячейки RRAM без транзистора делает устройство хорошо масштабируемым.
• Поскольку явление резистивного переключения наблюдается во многих изоляционных материалах, должно быть легко найти подходящие материалы.
• Устройства RRAM могут использоваться для преодоления ограничений масштабирования современных кремниевых устройств.
• Двухконтактная конфигурация устройств RRAM делает их подходящими для многоуровневой структуры. Например, пассивная двухконтактная многоуровневая структура, состоящая из блоков с одним диодом и одним резистором, может считаться более выгодной, чем активные конфигурации, которые включают транзистор. Такая многослойная структура предлагает значительные преимущества для увеличения емкости памяти по сравнению с простыми двухмерными многоуровневыми структурами.

В апреле этого года израильская компания Weebit Nano заявила, что успешно протестировала резистивную память и начнет массовое производство на американском заводе компании SkyWater Technology. Это означает, что новые устройства на мемристорах появятся в уже ближайшем будущем.

Источник: Resistive switching phenomena: A review of statistical physics approaches (Jae Sung Lee, Shinbuhm Lee, and Tae Won Noh)