Memristoreita hafniumoksidista

Cambridgen yliopiston johtamat tutkijat kehittivät hafniumoksidin muodon, joka toimii erittäin stabiilina ja matalaenergisenä memristorina – komponenttina, joka on suunniteltu jäljittelemään aivojen neuronien tehokasta yhteyttä.

Neuromorfinen laskenta voi käsitellä informaatiota tavalla, joka saattaisi vähentää energiankulutusta jopa 70 % tallentamalla ja käsittelemällä informaatiota samassa paikassa ja tekemällä sen erittäin pienellä virrankulutuksella.

Useimmat olemassa olevat memristorit perustuvat pienten johtavien filamenttien muodostumiseen metallioksidimateriaalin sisään. Nämä filamentit käyttäytyvät kuitenkin arvaamattomasti ja vaativat tyypillisesti korkeita muovaus- ja käyttöjännitteitä, mikä rajoittaa niiden käyttökelpoisuutta laajamittaisissa datantallennus- ja laskentajärjestelmissä.

Cambridgen tiimi loi sen sijaan uudentyyppisen hafniumpohjaisen ohutkalvon, joka vaihtaa tiloja täysin eri tavalla. Lisäämällä strontiumia ja titaania ja kasvattamalla kalvoa kaksivaiheisella menetelmällä tutkijat pystyivät muodostamaan pieniä elektronisia portteja eli pn-liitoksia oksidin sisään, sinne missä kerrokset kohtaavat. Tämä mahdollistaa rakenteen resistanssin muuttamisen tasaisesti siirtämällä energiaesteen korkeutta rajapinnassa sen sijaan, että se kasvattaisi tai irrottaisi filamentteja.

Hafniumpohjaisten rakenteiden avulla tutkijat saavuttivat noin miljoona kertaa pienemmät kytkentävirrat kuin joillakin perinteisillä oksidipohjaisilla rakenteilla. Memristorit tuottivat myös satoja erillisiä, vakaita johtavuustasoja, mikä on keskeinen vaatimus analogiselle "muistissa" tapahtuvalle laskennalle.

Laboratoriotestit osoittivat, että rakenteet kykenivät luotettavasti kestämään kymmeniätuhansia kytkentäsyklejä ja tallentamaan ohjelmoidut tilansa noin päivän ajan. Ne myös toistivat biologiassa havaittuja perustavanlaatuisia oppimissääntöjä, kuten piikkien ajoituksesta riippuvaa plastisuutta: mekanismia, jolla neuronit vahvistavat tai heikentävät yhteyksiään riippuen siitä, milloin signaalit saapuvat.

On kuitenkin vielä joitakin haasteita voitettavana. Nykyinen valmistusprosessi vaatii noin 700 °C:n lämpötiloja – korkeampia kuin puolijohteiden valmistuksen standarditoleranssit. ”Tämä on tällä hetkellä suurin haaste rakenteidemme valmistusprosessissa”, Bakhit sanoi. ”Mutta työskentelemme nyt keinojen parissa, joilla lämpötilaa voidaan alentaa, jotta se olisi sopivampi teollisuuden standardiprosessien kanssa.”

Aiheesta aiemmin:

Sieniperäisiä memristoreita

Joustavia mekaanisia memristoreita

Tutkijat saivat aikaan aivojen kaltaisen muistin