Мемристоры, состоящие из частей толщиной в 2 нм

Original author: John Timmer
  • Translation

9-битный крестообразный массив работает прекрасно, но использует платину



Разместив два блока один над другим, можно повернуть их так, чтобы у них возникало девять точек пересечения.

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.
Support the author
Share post

Comments 18

    +1
    Цена платины в слое из 11 атомов? Вообще не вопрос. А вот масштабирование может влегкую не получиться. 64 провода это всего 512кб
      0
      к тому же ёмкость (в фарадах) каждого проводника будет расти экспоненциально…
        0
        Так уж и в фарадах. На таких площадях это фемтофарады.
          +1

          это что бы емкость в битах от емкости в фарадах не спутать ;)
          работаем сейчас с ПЗС — та же проблема только в профиль: огромная емкость выводов, которые подключаются ко всем элементам строки/столбца, десятки нанофарад, для их переключения на частоте 20МГц требуются ватты энергии ) по этому в такой схеме будут проблемы с быстродействием и энергопотреблением)

            +1
            В отличии от ПЗС, память наверное как то на блоки можно побить, что бы за раз весь столбец/строку не поднимать
              0

              Эта проблема может быть оптимизирована с помощью выбора правильной топологии и алгоритмов чтения/записи

              0
              Но при подаче достаточно сильного тока

              Эта фраза звучит устрашающе, делая впечатление, что энергопотребление у конечного устройства будет высоким
          +2
          каждый новый провод это +N операций оксидирования боковой поверхности кремния, напыления 2нм слоя Ge для улучшения «смачивания», напыления 2нм слоя Pt, напыление медных проводников, изоляция 8нм Al203… — тут подробные картинки
          потом две такие платины прижимаются «мордой друг к другу».
          Масштабирование тут за гранью фантастики.
            0

            Даже при расходе в 1000 молекул на 1 байт, на терабайт уйдет порядка 10^15 молекул, что эквивалентно двум микрограммам платины.

              0
              Проверьте расчёты. 1 атом платины весит 195.084 а.е.м. (согласно Википедии), т.е. 3.23944575e-25 кг
                0
                ~195 грамм весит 1 моль платины
                в 1 моле платины ~ 6*10^23 молекул
                так как речь идет о сравнении порядков, числом перед значением порядка можно пренебречь, чем я с радостью и воспользовался — это единственная причина, по которой можно серьезно потерять в точности (на +-61%).
                так как считаем для террабайта, получилось 10^(3+4*log10(1024)) / 10^23 ~ 10^15 / 10^23 = 10^-8
                то есть вес необходимого числа молекул в 10^-8 раз меньше, чем вес 1 моля платины.
                Моль платины весит 195 грамм, соответственно получаем примерно ~ 0,000002 грамма или 2 микрограмма

                Пы сы, ну видимо 3 микрограмма с округлением получится, но при таких порядках не считаю эту ошибку существенной. По крайней мере к краху производителей железа, если они доверятся моим расчетам, она не приведет:)
                  0
                  Ха, я прочитал тот ваш коммент как «двух килограмм платины» )))
            +2
            Блин, когда уже эти мемристоры замемристят…
            Хочется твердотельную альтернативу HDD с нормальной надёжностью хранения, а не этот утекающий и дохнущий флеш.
              0
              А чем 3dxpoint не устраивает?
              +2
              А что, в таком устройстве платины нужно больше, чем в каталитическом нейтрализаторе машин? Вопрос цены, мне кажется, тут не самый главный
                0
                По мне, так сильно меньше. Но могут быть законодательные проблемы, оборот изделий содержащих драгметаллы. Я помню, были осциллографы с формулярами по содержанию драгметалла в изделии и запретом продажи их частным лицам.
                  0
                  Сравните количество автомобилей в мире с количеством флэшек. И заодно стоимость нейтрализаторов со стоимостью флэшек.

                Only users with full accounts can post comments. Log in, please.