Современные достижения в области микроэлектроники позволяют создавать инновационные решения для повышения производительности, минимизации энергозатрат и совершенствования систем искусственного интеллекта. Учёные Университета ИТМО и Харбинского инженерного университета сделали крупный шаг вперёд, разработав чрезвычайно стабильный и долговечный перовскитный наномемристор, способный служить основой для ультракомпактных и энергоэффективных процессоров нового поколения. Эта работа стала частью масштабной исследовательской программы, получившей поддержку РНФ и национального проекта «Приоритет 2030».
Что такое мемристоры и зачем они нужны?
Мемристоры – это перспективный класс электронных компонентов, способный изменять сопротивление в зависимости от характера протекающего тока и сохранять это состояние даже без подачи питания. Благодаря этому мемристоры уже называют «идеальной памятью будущего», а в перспективе – ключевым элементом для построения высокоскоростных и энергоэффективных процессоров и нейроморфных систем, имитирующих работу человеческого мозга.
Особое значение мемристоры приобретают при разработке систем для искусственного интеллекта, машинного обучения, различных сенсорных технологий и биоинтерфейсов. Мемристоры позволяют реализовать ассоциативную память, эффективную обработку сигналов, внедрять новые архитектуры вычислительных систем, объединяя хранение и обработку данных на одном чипе в отличие от классических транзисторов.
Перовскиты – инновационная платформа для будущих мемристоров
Научное сообщество давно проявляет интерес к перовскитам — особым кристаллическим материалам, обладающим уникальными физико-химическими свойствами. Благодаря высокой подвижности ионов, хорошей электропроводности и стабильности многие виды перовскитов считаются одними из главных кандидатов для создания современных устройств хранения и обработки информации.
Однако долгое время перовскитные мемристоры уступали кремниевым аналогам по стабильности и долговечности: поликристаллические пленки, широко использовавшиеся ранее, были подвержены влиянию влаги и кислорода, а также имели нестабильные и не всегда воспроизводимые электрические характеристики. Это ограничивало возможности интеграции таких устройств в промышленные приложения.
Ключ к устойчивости: монокристаллическая структура и инновационные материалы
В новом исследовании, реализованном группой из Университета ИТМО, Харбинского инженерного университета и Иоффе ФТИ, впервые опробована комбинация перовскитных монокристаллических нанокубов из цезий бромида свинца (CsPbBr3) и химически инертных электродов на основе окиси индия олова и легированного бором алмаза. Именно такая архитектура обеспечила исключительную надежность мемристора: элемент сохраняет свойства даже после 1500 циклов перезаписи и месяцев эксплуатации при обычных условиях, чего не удавалось достичь ранее.
Фундаментальное превосходство этой технологии — в отсутствии границ между кристаллитами, свойственных поликристаллам. Это предотвращает проникновение влаги и кислорода, а также предотвращает неконтролируемую миграцию ионов металлов между электродами, что ранее приводило к деградации устройств и уменьшению числа рабочих циклов. Благодаря омическим инертным контактам мемристор работает стабильно и надежно, а стабильность параметров сохраняется от цикла к циклу.
Миниатюризация и энергоэффективность – новый эталон
Устройство, созданное исследователями, имеет рекордно малые показатели: энергопотребление составляет всего 70–80 нановатт, а размеры монокристалла — от 130 до 160 нанометров. Для сравнения, предыдущие аналоги на перовскитной основе имели энергозатраты в диапазоне от 200 до 35 тысяч нановатт, что делает новую разработку чрезвычайно привлекательной для массового внедрения в сверхкомпактных электронных схемах.
Ещё одно преимущество – быстродействие: мемристор переключается менее чем за 1 миллисекунду, а динамический диапазон разницы токов между состояниями достигает 4–5 порядков. Это облегчает распознавание сигналов и минимизирует вероятность ошибок, что особенно важно для задач обработки больших потоков информации в нейроморфных вычислительных системах.
Механизм работы и перспективы развития
Исследователи смоделировали процессы внутри нанокристалла и установили, что эффект мемристивности обусловлен накоплением зарядов у границы контакта. Создающийся дипольный момент локально изменяет энергетический барьер на границе между перовскитом и электродом, обеспечивая переключение сопротивления. Это открытие подтверждает возможность точного управления состоянием элемента электронными средствами и даёт учёным ключ к масштабируемому применению технологии.
Успехи в данной области открывают возможности для создания новых поколений сверхкомпактных и энергоэффективных нейроморфных процессоров, полностью преобразящих сферы искусственного интеллекта, робототехники, интеллектуальных систем управления, сенсорных технологий. Кроме того, отдельные наномемристоры легко включаются в структуру масштабируемых кроссбарных схем (crossbar array), что позволяет реализовать сложные логические функции и коммутацию непосредственно на аппаратном уровне, минимизируя потери энергии и размеры устройства.
Будущее перовскитных мемристоров: от прототипа к массовому производству
В ближайшей перспективе команда исследователей планирует расширить эксперименты, работая с массивами монокристаллических нанокубов перовскита и тестируя новые материалы в роли полупроводников. Поддержка приоритетных федеральных программ и грантовых инициатив гарантирует необходимое финансирование и доступ к современному исследовательскому оборудованию. В будущем мемристоры на основе перовскитов могут стать фундаментом для совершенно новых подходов к проектированию микроэлектроники, способной удовлетворить потребности быстроразвивающихся отраслей искусственного интеллекта и автоматизации.
Исследование реализовано при поддержке программы «Приоритет 2030» и российского научного фонда.
Информация и фотоматериалы предоставлены пресс-службой Университета ИТМО.
Мы используем файлы cookie, чтобы сделать использование нашего сайта максимально удобным. Продолжая пользоваться сайтом, вы соглашаетесь с их применением.
