12 апреля 2012 г. В Тюменском государственном университете, в рамках проекта по моделированию нейронных сетей мозга, осуществляемых ТюмГУ и созданным университетом высокотехнологичным предприятием ООО «ТАСО», получен мемристор – четвертый фундаментальный компонент электроники, наряду с резистором, конденсатором и катушкой индуктивности.

При этом мемристор действует как сопротивление, значение которого изменяется в зависимости от проходящего через него тока. В результате снижения сопротивления мемристора связь между логическими элементами, в формировании которой участвует этот мемристор, становится более эффективной – происходит обучение. При повышении сопротивления мемристора происходит забывание или торможение. Прочитать записанную в мемристор информацию можно измерив его сопротивление. По своему действию мемристор подобен синапсу – соединению между нервными клетками мозга (нейронами). Существование мемристора предсказал в 1971 г. исследователь из университета в Беркли Леон Чуа, а на практике мемристор был впервые в мире получен в 2008 г. в корпорации Hewlett-Packard группой под руководством Р. Стэнли Уильямса.

Первая опытная российская микросхема на базе мемристоров, созданная в ТюмГУ 12.04.2012 г.

Как отмечает проректор ТюмГУ по инновационному развитию и информационным технологиям, генеральный директор ООО «ТАСО» и руководитель проектов по созданию нейроморфных систем и моделированию нейронных сетей мозга Вадим Филиппов:

«С момента своего создания в 1943 году электронные компьютеры базировались на архитектуре с разделенным процессором и памятью, требовавших наличие исполняемых программ, заранее описывавших все возможные действия машины или непосредственного управления со стороны человека, например, при нажатии на клавиатуру. Поэтому сами по себе компьютеры не умеют думать. В отличие от живых организмов – ассоциативных систем, в которых каждый нейрон кодирует какое-либо качество, свойство или объект, вызывая при своей активации в памяти другие объекты, в кодировке которых он участвует. Такой ассоциативный процесс идет в коре мозга непрерывно, как транскорковые кругообороты, обеспечивая запоминание, припоминание, логику, ветвление ассоциаций, рекомбинацию и синтез нового знания. Эти процессы обеспечиваются типовым модулем коры мозга – кортикальной колонкой. Ее моделированием мы занимаемся уже много лет. И если раньше мы могли создавать лишь программные модели на базе мощных суперкомпьютеров, то с получением мемристоров у нас появляется возможность создавать самообучающиеся мемристивные микросхемы, которые будут встраиваться в программно-аппаратные комплексы, моделирующие кору мозга. Создание мемристоров скорее всего постепенно приведет к полному пересмотру и изменению всей архитектуры современных компьютеров, приблизив их к организации живых ассоциативных систем».

Работа над мемристивной микросхемой в чистой комнате ТюмГУ, март 2012 г.

Мемристоры в ТюмГУ получены на основе диоксида титана (TiO₂) – полупроводника, в чистом виде имеющего большое сопротивление. Однако если TiO₂ легируется другими элементами, то эти легирующие примеси (например, ионы кислорода) в высоком электрическом поле могут дрейфовать в направлении электрического тока. Подача напряжения смещения через тонкую пленку диоксида титана заставляет примеси распространяться в объеме TiO2 и таким образом понижает его сопротивление. Подача тока в другом направлении перемещает примеси назад, увеличивая сопротивление TiO₂. Мемристор может принимать не только два положения – 0 или 1, но и любые другие значения, работая в аналоговом режиме. Причем это делается на одном элементе, что позволяет уменьшить размеры мемристора до нескольких нанометров, а скорость срабатывания – до наносекунд.

Мемристоры были синтезированы с помощью приобретенной ТюмГУ модульной технологической платформы для формирования нанотехнологических комплексов с кластерной компоновкой «Нанофаб-100». Для получения мемристоров на подложку были нанесены поперечные проводящие дорожки, на которые был нанесен слой диоксида титана (TiO₂) толщиной всего 15 нанометров. Поверх него были нанесены продольные проводящие дорожки. В местах пересечения дорожек получен выраженный мемристивный эффект снижения сопротивления и потенциации связи в зависимости от проведенного тока. Научный сотрудник ТюмГУ Дмитрий Журавский, непосредственно выполнявший работы по созданию первой опытной мемристивной микросхемы, указывает, что:

«Был получен материал с изменяемым сопротивлением при протекании тока с высоким уровнем сопротивления в 300 Ом до пропускания тока и уровнем 120 Ом после пропускания тока. Функциональный слой мы получили на основе композитной структуры металл-аморфный диоксид титана – металл».

Аспирант ТюмГУ Геннадий Ласкин, также участвовавший в создание прототипа мемристивной микросхемы, указывает, что залогом успеха проведенной работы стали большие возможности установленного в ТюмГУ комплекса «Нанофаб-100» производства российской компании NT-MDT, в том числе использовавшихся в получении мемристора магнитрона и модуля фокусированного ионного пучка в условиях сверхвысокого вакуума.

Принципиальное отличие мемристора от большинства типов современной полупроводниковой памяти и его главное преимущество перед ними заключаются в том, что он не хранит свои свойства в виде заряда. Мемристору не страшны утечки заряда при переходе на микросхемы нанометровых масштабов, и он полностью энергонезависим, а данные могут храниться в мемристоре до тех пор, пока существуют материалы, из которых он изготовлен. Мемристоры на сегодня являются единственным неживым материалом, приближающимся по своим функциям к синапсам живого мозга. Синаптические соединения могут быть смоделированы и на КМОП-транзисторах, но транзисторные схемы несравнимо больше, медленнее, сложнее, энергозатратнее и дороже, чем мемристивные.

«Сегодня нам важно провести комплексное исследование полученных мемристоров, а также различных однослойных и многослойных материалов для их создания. Исследование стехиометрии диоксидных соединений должно помочь нам, по возможности, в короткие сроки обеспечить высокие потребительские свойства разрабатываемых нами мемристивных микросхем: широкий диапазон и высокую скорость изменения сопротивления, при хорошей и многократной повторяемости эффекта» – говорит профессор Сергей Удовиченко, заместитель директора НИИ пркладных наук ТюмГУ, руководитель группы ученых университета по исследованию мемристоров.

Реализация проекта по получению мемристоров в ТюмГУ стала возможной благодаря участию университета в Федеральной целевой программе «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации», осуществлению программы развития инновационной инфраструктуры ТюмГУ во исполнение Постановления Правительства России № 219 от 9 апреля 2010 г., а также благодаря хорошему инновационному климату, формирующемуся в Тюменском регионе.

По материалам ООО «ТАСО»