Поиск - новости науки и техники

Гаджет на завтра. Электроника должна быть экономной

31.05.19

Потребитель высокотехнологичных товаров, будь то смартфоны или компьютеры, постоянно испытывает навязчивое желание купить что-нибудь более свежее и продвинутое. Это совсем неудивительно, ведь любой его каприз стремится удовлетворить огромный отряд самых разных специалистов, в том числе ученых. Кандидат технических наук Вадим АВИЛОВ из таганрогского Института нанотехнологий, электроники и приборостроения Южного федерального университета создает мемристорные структуры для модулей памяти электронных устройств, которые не только позволят улучшить характеристики, но и сделают их энергоэффективными, что очень важно в нашу эпоху энергосбережения. Его тема поддержана грантом Президента РФ.

– Я исследую так называемый мемристорный эффект, который проявляется только в наноструктурах, – начинает рассказ Авилов. – Мемристор – от английского memory+resistor, означает «сопротивление с памятью». Это элемент, способный изменять свое сопротивление при определенных условиях, например, при приложении к нему определенного напряжения, и сохранять это сопротивление длительное время, пока не будет приложено другое напряжение.
Такое свойство предопределяет основную сферу применения мемристорных структур: модули памяти для компьютеров, смартфонов и других электронных устройств. Ожидается, что эти модули по своим характеристикам будут на уровне современной компьютерной оперативной памяти или даже быстрее, но при этом энергоэффективными. Это качество особенно необходимо для портативных устройств, таких как смартфоны и планшеты, где одним из ключевых параметров является время работы без подзарядки.
Другое применение мемристоров – создание искусственного интеллекта и нейросетей. Отдельная мемристорная структура может переключаться в широком диапазоне сопротивлений, это позволяет уйти от привычного бинарного хранения информации, когда отдельный элемент памяти может переключаться между логическими состояниями «1» и «0», к системам, повторяющим работу мозга. В отличие от компьютера мозг, аналоговое «устройство», работает не с категориями «есть сигнал» и «нет сигнала» (качественная характеристика), а с категориями «больше» и «меньше» (количественная характеристика). Применение мемристоров в нейроморфных системах как раз позволит через переключение сопротивления в широких диапазонах перейти к количественным характеристикам работы.
– Какие фундаментальные задачи вы ставите, разрабатывая конструктивно-технологические решения для резистивной памяти?
– Особенность нанотехнологий в том, что практически любой фактор может оказать влияние на характеристики элемента. Параметры мемристоров зависят не только от геометрических размеров наноструктур оксида титана, но и от технологических режимов получения и даже от методики измерения. Поэтому передо мной стоит глобальная задача – изучить влияние каждого фактора и предложить наиболее оптимальные параметры для изготовления элементов памяти на основе мемристоров.
Кроме того, изучения одних только параметров мемристорных структур недостаточно. Для практического применения в модулях памяти также необходимо решить задачу компоновки массивов мемристоров в микросхеме. Поэтому мне нужно также предложить способы размещения большого числа наноструктур и контактных дорожек к ним на микросхеме.
Мемристорный эффект присущ только наноструктурам, то есть проявляется в низкоразмерных объектах. Более того, многие наноразмерные структуры в том или ином виде проявляют мемристорный эффект. Если посмотреть на публикации в мировых научных журналах, переключение сопротивления проявляется в оксидах, органических композитах, углеродных нанотрубках, нитевидных нанокристаллах и других различных соединениях.
Однако оксиды металлов имеют наилучшие характеристики мемристоров в плане быстродействия, воспроизводимости и диапазона переключаемых сопротивлений. Это и есть причина, почему я выбрал в качестве своих исследований мемристорный эффект наноструктур на основе оксида титана.
– Какую технику вы используете в своей работе?
– В Институте нанотехнологий, электроники и приборостроения, где я работаю, расположен научно-образовательный центр «Нанотехнологии», оснащенный современным высокотехнологическим оборудованием, позволяющим решать широкий спектр задач в области нанотехнологий. Мои основные рабочие инструменты – сканирующий зондовый микроскоп Solver P47 Pro и зондовая нанолаборатория Ntegra. Такое оборудование позволяет методом локального анодного окисления формировать отдельные оксидные наноструктуры толщиной менее 5 нанометров, а также измерять их характеристики.
Однако для изготовления макетов этого недостаточно. Отдельный элемент памяти должен, как минимум, содержать контактные электроды, соединяющие его с общей схемой, поэтому приходится применять дополнительное оборудование научно-образовательного центра: это установка для магнетронного распыления Auto 500, растровый электронный микроскоп Nova NanoLab, зондовая станция.
– Какие результаты планируете получить? Где они будут более всего востребованы?
– Как я уже говорил ранее, основное применение мемристорных структур – элементы памяти для различных электронных устройств. Однако для промышленного производства таких модулей памяти нужно провести широкий диапазон исследований параметров мемристора, в том числе определить, как технологические и конструктивные параметры влияют на быстродействие и воспроизводимость характеристик. Важно также дать теоретическое описание физико-химических процессов в наноструктуре, приводящих к возникновению мемристорного эффекта, разработать модель формирования оксидных наноструктур и модель проявления в них мемристорного эффекта.
Еще одна задача – изучение стабильности и воспроизводимости полученных мемристоров. Дело в том, что при изготовлении микросхемы, содержащей, к примеру, миллион элементов, все они должны иметь идентичные характеристики с узким разбросом параметров.
Я подал заявки на гранты РНФ и РФФИ для проведения дальнейших исследований мемристорного эффекта. Это очень большая работа, одному выполнить ее очень сложно, поэтому я привлекаю к этим исследованиям своих коллег. Некоторые простые задачи выполняют студенты в рамках их научно-исследовательских работ. В целом исследования продвигаются, я публикую статьи по теме проекта в российских и зарубежных журналах, представляю полученные материалы на конференциях, получил несколько патентов.
– Ваша работа имеет выраженный прикладной характер. Кто ваши потенциальные заказчики?
– К сожалению, проблема с заказчиками стоит остро. Сложности с изготовлением элементов RRAM памяти колоссальны, а мои исследования дают ответы лишь на малую часть вопросов. Даже при полном решении задачи производственные мощности наших лабораторий не смогут запустить серийное производство. У меня появилась идея обратиться к производителям электроники в смежной области, чтобы на их площадке применить мои исследования.
В частности, меня недавно заинтересовала новость, что в Калининградской области компания GS Group начала производство SSD-накопителей собственной разработки. Возможно, на их производственных мощностях можно будет реализовать память на основе мемристоров, но это потребует значительных инвестиций в модернизацию оборудования.

Фирюза ЯНЧИЛИНА

Нет комментариев