Память с изменением фазового состояния (PCM) вроде бы способна предложить лучшее из обоих вариантов: скорость современной RAM и постоянное хранение данных жёсткого диска. И хотя существующие варианты её реализации слишком дороги для широкомасштабного применения, исследователи проделывают с испытательным оборудованием весьма интересные трюки.

Её отличительные свойства позволили людям проводить вычисления и тренировать нейросети прямо в памяти. Поэтому поиск методов повышения эффективности может предоставить новые подходы к вычислениям.

На этой неделе коллаборация учёных из Массачусетского университета и Брукхейвенской национальной лаборатории опубликовала работу, описывающую изготовление крохотного набора мемристоров, работающих сходным с PCM образом. Размер этой памяти составил всего 2 нанометра в поперечнике, а расстояние между элементами может быть всего 12 нм – меньше передовых процессорных технологий. Недостатки? Пока что команда смогла сделать всего 9 бит памяти за один раз, и использовать пришлось платину.

На решётке

Ключевой элемент новой схемы – крохотные пластинки платины толщиной всего в 2 нм – то есть всего 11 атомов элемента. Платина довольно дорогой металл, зато эти пластинки обладают чрезвычайно малым сопротивлением. Измеренное исследователями сопротивление пластины оказалось почти в 10 000 раз меньше, чем сопротивление углеродной нанотрубки той же толщины. Авторы утверждают, что способны производить пластинки нужного размера со 100% эффективностью.

Пластинку помещают на германий, что позволяет выровнять её по вертикальной кремниевой поверхности. Потом к ней подсоединяют медные провода, и покрывают пластину оксидом алюминия. В результате узкая полоска края пластинки, шириной в 2 нм, смотрит вертикально. Вторая пластинка с электродами помещается сходным образом на нужное место, затем добавляется оксид алюминия и третья пластинка. Когда верхняя часть получившегося блока зашлифовывается, получается поверхность из трёх параллельных линий платины, к каждой из которых есть доступ через свой набор медных электродов. Мы будем называть их «проводами», однако реально это лишь узкий край более широкой пластины, погружённой в оксид алюминия.

Для изготовления рабочих мемристоров два таких блока располагаются так, чтобы линии были обращены друг к другу и сформировали решётку с девятью точками пересечения. Между блоками исследователи расположили слой смеси оксида титана и оксида гафния толщиной в 7 нм.

Медные провода позволяют активировать только один из трёх платиновых проводов в блоке за раз. В зависимости от того, какой из проводов противоположного блока был активным, активируется только одно пересечение.

Спасибо за память

В нормальных условиях слой оксида титана/гафния работал бы как изолятор и блокировал ток на пересечениях медных проводов. Но при подаче достаточно сильного тока формируется титановая нить, соединяющая два кусочка платины. В результате между ними начинает течь ток; разницу между проводящим и изолирующим состояниями можно рассматривать в качестве разницы между нулём и единицей. Соединение сохраняет своё состояние, если только через него не подать достаточно сильный ток, который разорвёт связь.

И это всё работает. Расценивая каждое пересечение решётки как пиксель, авторы устанавливали и сбрасывали биты, в результате получив узор из букв «NANO».

Если плотность их устройства можно будет масштабировать, оно станет похожим на трёхмерную флэш-память, производимую в 64-слойном процессе. Это составит плотность в 4,5 Тбит на квадратный дюйм [700 Гбит/кв. см.]. При этом мемристорам не требуется такая глубина, которая нужна для флэш-памяти.

Но получится ли реально масштабировать эту память за пределы девяти битов? Сразу видно множество потенциальных проблем. Одна из них – использование платины. В пластинках толщиной в 11 атомов платины немного, и авторы говорят, что способны изготавливать их с эффективностью в 100%, но это всё равно очень дорогой материал для крупномасштабных производств. Поэтому очевидны преимущества поисков более распространённого материала, способного формировать структуры со схожими свойствами.

Затем идёт производство. Обработка сравнима с другими производствами полупроводников, однако каждый шаг необходимо повторять, добавляя дополнительный провод к устройству. Если масштабировать это до размеров, дающих полезные объёмы, это может стать очень затратным по времени, а редкие проблемы с обработкой могут стать более серьёзными. Если они будут достаточно редкими, то можно будет просто не использовать дефектные провода и смириться с уменьшенным объёмом памяти. Это урежет плотность записи, но она и так довольно высока.

Возможно, самое интересное свойство этого устройства – его возможности для масштабирования. Хотя исследователи изготовили всего три параллельных провода, каждый дополнительный провод будет радикально повышать ёмкость. Четвёртый провод повысит ёмкость с 9 бит до 16, а пятый – до 25. И если расстояние между проводами может составлять всего 12 нм, масштабирование не приведёт к значительным увеличениям объёма и расхода материала.