Файл: Реферат мемристоры виды и применения студент 5 курса группы М04207б Бабичек Илья Викторович.docx

Министерство образования и науки Российской Федерации

МФТИ (ГУ)
Факультет Фотоники и Квантовой Электроники (ФФКЭ)
Кафедра микро- и наноэлектроники

РЕФЕРАТ

МЕМРИСТОРЫ ВИДЫ И ПРИМЕНЕНИЯ

Выполнил:

Студент 5 курса
группы М04-207б
Бабичек Илья Викторович

Научный руководитель:
Барабаненков М.Ю.

Долгопрудный

2022

Введение

Микроэлектроника находится в вечной гонке с разработчиками программного обеспечения. Новые более эффективные компьютерные комплектующие позволяют программистам более свободно обращаться с ресурсами. Те же, в свою очередь, развивают софт, выжимая из электроники максимум производительности и подталкивая к её улучшению. Но внезапное появление нейросетей, их стремительное развитие и невероятные возможности ударили по самому слабому месту современных компьютеров — архитектуре фон Неймана. Как временное решение для нужд машинного обучения появились тензорные ядра – оптимизированные для умножения матриц микросхемы, на время, пока не удастся решить проблему с задержками при общении процессора с памятью. Сейчас, активно развивается идея нейроморфной архитектуры, подражающей человеческому мозгу. Она является распределенным множеством ячеек процессора и памяти, называемых синапсами, и предлагает не только решение проблемы «бутылочного горлышка», но и высокую энергоэффективность. Прогнозируется, что если мы не найдем альтернативы привычной конструкции компьютеров, то, при таком же скорости увеличения объема памяти, мощность, потребляемая КМОП логическими элементами, превысит глобально-вырабатываемую на всей Земле энергию уже к 2040 году. Современные процессоры с использованием такой архитектуры оперируют цифровыми моделями нейронов, что не является оптимальным. Большие надежды возлагают на мемристоры, что с их помощью удастся физически разместить нейроны на микросхеме.

Мемристор

Мемристор называют одним из основных элементов схемотехники, наряду с конденсатором, катушкой и резистором. Его

---

функция заключается в том, что он меняет свое сопротивление в зависимости от прошедшего через него заряда с учетом направления. Различие между состояниями высокого сопротивления и низкого в современных мемристорах не менее двух порядков.

С уществует два механизма изменения проводимости мемристора: филаментный и фазовый.

Филаментный механизм заключается в формировании проводящего «мостика» между двумя контактами и его разрушении при пропускании тока в обратном направлении. Это может происходить за счет дрейфа частиц или химической реакции. Такой механизм часто наблюдается в структурах металлический контакт/твердый электролит/металлический контакт. В качестве примера, для мемристоров на Ge­_xSe_y время переключения состояния составляет 50 нс при напряжении не более 1,5 В.

Фазовый механизм заключается в разной величине сопротивления вещества в его аморфной и кристаллической фазе. Переключение происходит таким образом: для перехода в кристаллическое состояние прикладывается напряжение выше порогового на некоторое время. Это нагревает вещество и позволяет ему упорядочиться. Для перехода в высокоомную аморфную фазу напряжение подается в виде импульса с высокой амплитудой, для достижения температуры плавления. Такой механизм проводимости реализуется в халькогенидных переходных материалах, таких как Ge₂Sb₂Te₅ (GST).

Виды мемристоров

Мемристор на основе оксидов металлов — филаментный механизм. Основные материалы: ZnO₂, GfO₂. Имеют высокую устойчивость к циклической деградации. Группе из МФТИ в 2019 году удалось получить мемристор, который выдержал более 10¹¹ циклов перезаписи (стандартно не менее 10⁵). Но подвержены самопроизвольному диффузии металла и потере свойств с перезаписью. Совместимы с КМОП и КНИ технологиями.

Мемристор на основе халькогенидов — фазовый механизм переключения. Основные материалы: Ge₂Sb₂Te₅ (GST), GeTe. Выдерживают от 10⁹ до 10¹³ циклов перезаписи и проявляют высокую температурную стабильность (хранение значений 10 лет при 110 °C). Упомянутые сплавы также являются одними из самых быстрых. Переключение между фазами у них происходит за несколько наносекунд.

---

Мемристор на основе твердых электролитов — филаментный механизм. Основные материалы: Ge_xS_y, Ge_xSe_y, As₂S₃, Cu₂S. Динамический диапазон составляет не менее четырех порядков. Но время переключения велико. Например, для Ge­_xS_y­ — 250нс в низкоомное, 12мс в высокоомное.

Мемристор на основе двумерных материалов — фазовый механизм (предположительно). Основные материалы: MoS₂, h-BN (гексагональный нитрид бора). Был обнаружен метод энергонезависимого переключения с помощью изменения контактного сопротивления путем локальной смены фазы в MoS₂. Однако для практического применения более пригодные вертикальные 2D структуры (h-BN) в виду их более плотной интеграции. Все еще не известен точный механизм переключения состояний, ведутся исследования.

Достоинства и недостатки

Мемристоры предлагают очень высокую интегральную плотность памяти, энергонезависимость и время хранения, которое уже на данный момент превышает 10 лет. Мемристоры на основе двумерных материалов также обладают механической гибкостью. По сравнению с современными элементами памяти, характеристики мемристорной памяти являются более устойчивыми к флуктуациям параметров техпроцесса. Однако, применительно к нейронным сетям и нейроморфным системам, у мемристоров есть следующие недостатки: для нейросетей требуется линейная зависимость проводимости от импульса, в реальных мемристорах это нелинейная и ассиметричная зависимость. Также мемристоры уступают своим цифровым конкурентам в динамике сопротивления. В то время, как у физического мемристора отношение сопротивлений во включенном и выключенном стабильных состояниях конечно, у программно-обеспеченного оно неограниченно. Также параметры реальных устройств не стабильны и могут меняться от цикла к циклу и от устройства к устройству.

---