Васильева Д.С., Пионтковская С.А.
МЕМРИСТОРЫ: ПЕРСПЕКТИВЫ НОВОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЭЛЕМЕНТА И ПРИЧИНЫ ИССЛЕДОВАНИЯ *
Аннотация:
мемристор - это новый тип электронного компонента, который обладает уникальными свойствами памяти и может быть использован для создания более эффективных и энергосберегающих вычислительных систем. В статье обсуждаются основные принципы работы мемристоров, их преимущества по сравнению с традиционными транзисторами, а также потенциальные области применения, включая резистивную память с произвольным доступом (RRAM) и вычисления в памяти (IMC).
Ключевые слова:
мемристор, полупроводники, резистивное переключение, вычисления в памяти, закон мура, микроэлектроника
Мемристор – это электронный компонент, который сохраняет своё внутреннее сопротивление на основе истории приложенного напряжения и тока. Изменение сопротивления является энергонезависимым, что позволяет состоянию сопротивления сохраняться в течение длительного времени после удаления внешнего электрического поля. Основная причина разработки мемристоров связана с достижением физического предела в размещении транзисторов на интегральных схемах. Закон Мура, утверждающий, что количество транзисторов на кристалле интегральной схемы удваивается каждые 2 года, сталкивается с ограничениями технологического процесса. Для наглядности, один нанометр приблизительно равен десяти молекулам водорода, выстроенным в линию [1].Другой важной мотивацией является развитие искусственного интеллекта (ИИ). Системы ИИ сталкиваются с растущими объёмами данных и увеличенной нагрузкой на связь между памятью и процессором. Для решения этой проблемы требуется новый подход и архитектура. Например, вычисления в памяти (IMC) представляют собой многообещающий метод, который устраняет узкие места в памяти и обеспечивает более высокий параллелизм обработки данных благодаря архитектуре массива памяти. IMC демонстрирует лучшую пропускную способность и меньшее энергопотребление по сравнению с традиционным цифровым подходом. Мемристоры представляют собой перспективное решение для эффективной работы вычислительных систем.Мемристор представляет собой специфический случай физического явления, известного как резистивное переключение. Этот процесс происходит, когда сопротивление диэлектрического материала изменяется в ответ на приложение сильного внешнего электрического поля. Важно отметить, что резистивное переключение не является “пробоем” диэлектрика, так как возможно возвращение в исходное состояние.Первое открытие резистивного переключения было сделано в 1962 году в пленке оксида алюминия [2]. В 1971 году профессор Леон Чуа предложил новый элемент электросхемы — мемристор. Резистивные переключения происходят во многих изоляционных материалах, таких как оксиды, нитриды, халькогениды, полупроводники и органические материалы. Однако наиболее широко изучены резистивные переключения в оксидах.Устройства для резистивных переключений имеют конфигурацию с двумя выводами, аналогичную конденсатору. Это изображено на рисунке 1.Рис. 1. Схема типичных устройств для резистивного переключения: вертикальная и плоская конструкции. Верхний электрод обозначается как T.E., а нижний — как B.E.Резистивное переключение происходит при формировании или разрушении токопроводящих нитей в диэлектрике [1, 3]. Процесс образования нитей изображен на рисунке 2.Рис. 2. Схематичное изображение процесса формирования токопроводящих нитей. (a) Начальное состояние, (b) Формирование нити (низкое сопротивление), (c) Разрыв нити (высокое сопротивление).Процесс преобразования материала в мемристор можно разделить на три этапа:Формирование: При приложении сильного электрического поля происходит резкое увеличение тока, что делает устройство переключаемым. Этот этап соответствует зеленой линии на рисунке 3.Сброс: Устройство, находящееся в состоянии низкого сопротивления, переходит в состояние высокого сопротивления благодаря внешнему смещению. Этот процесс обозначается красной линией на рисунке 3.Установка: Наоборот, состояние высокого сопротивления можно изменить на состояние низкого сопротивления. Этот этап соответствует голубой линии на рисунке 3.Рис. 3. Схематичные кривые ВАХРисунок 3 демонстрирует схематичные кривые ВАХ, иллюстрирующие работу резистивного переключения [3]. В более простых терминах:Транзистор: Подача напряжения на базу позволяет току протекать. При удалении напряжения ток не проходит (полупроводник). Транзистор имеет три контакта: эмиттер, коллектор и базу.Мемристор: После приложения напряжения установки он проводит ток. После напряжения сброса – не проводит ток (полупроводник). Мемристор использует два контакта. Он является перспективным кандидатом для электронных схем новой архитектуры.Преимущества мемристоров продолжают исследоваться. Одним из перспективных направлений применения является резистивная память с произвольным доступом (RRAM). В апреле этого года израильская компания Weebit Nano объявила о успешном начале массового производства на американском заводе компании. Это значит, что новые устройства на мемристорах скоро появятся на рынке.
Номер журнала Вестник науки №7 (76) том 2
Ссылка для цитирования:
Васильева Д.С., Пионтковская С.А. МЕМРИСТОРЫ: ПЕРСПЕКТИВЫ НОВОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЭЛЕМЕНТА И ПРИЧИНЫ ИССЛЕДОВАНИЯ // Вестник науки №7 (76) том 2. С. 403 - 408. 2024 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/16801 (дата обращения: 09.09.2024 г.)
Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2024. 16+