Полупроводники: мемристор простыми словами

В этой статье я попробую объяснить простыми словами причины исследования и перспективы применения нового типа полупроводников – мемристор.

Сначала давайте дадим определение мемристору. Memristor – это электронный компонент, который сохраняет внутреннее сопротивление на основе истории приложенного напряжения и тока (memory – память, resistor - сопротивление). Изменение сопротивления является энергонезависимым, т. е. состояние сопротивления может сохраняться в течение длительного времени после удаления внешнего электрического поля.

Зачем потребовался новый электронный компонент?

Первая причина - это достижение физического предела в размещении транзисторов в интегральной схеме. Все знают закон Мура об удвоении количества транзисторов на кристалле интегральной схемы каждые 2 года, которому пытаются следовать производители микросхем.

• По информации в Википендии ^[1] о технологическом процессе (последние годы в таблице) физический предел почти достигнут. Для лучшего представления: один нанометр приблизительно равен условной конструкции из десяти молекул водорода, выстроенных в линию.

  Техпроцесс	Дата	Пример
  90 нм	2002-2003 гг.	Intel Pentium 4 (Prescott), AMD Turion 64 X2
  65 нм	2004 г.	Intel Core/Xeon, AMD Athlon 64
  45 нм / 40 нм	2006-2007 гг.	Intel Core 2 Duo, AMD Athlon II
  32 нм / 28 нм	2009-2010 гг.	Intel Sandy Bridge, AMD Bulldozer, Apple A7
  22 нм / 20 нм	2009-2012 гг.	Intel Ivy Bridge
  16 нм / 14 нм	2014 г.	Pentium N3700 (Braswell), AMD Ryzen
  10 нм	2016-2017 гг.	Apple A11 Bionic, Snapdragon 835/845
  7 нм	2018 г.	Apple A12X, Snapdragon 855/865
  6 нм / 5 нм	2019 г.	Apple A14, Apple M1
  3 нм	2018 г.	пробные образцы Imec и Cadence Design Systems
  2 нм	2021 г.	IBM заявила о создании первого 2 нм чипа
  1,4 нм	2029 г.	Intel планирует переход

• Авторы Хабра обращали внимание в своих статьях, что предел в уменьшения транзисторов уже достигнут, и это 20-25 нм (2009-2012 гг.). Дальнейший рост производительности может быть в оптимизации архитектуры.
  Проектные нормы в микроэлектронике: где на самом деле 7 нанометров в технологии 7 нм? ^[2]
  Технологии микроэлектроники на пальцах: «закона Мура», маркетинговые ходы и почему нанометры нынче не те. (часть1 ^[3], часть2 ^[4], часть3 ^[5])

Вторая причина связана с развитием искусственного интеллекта (ИИ): вычислительные системы сталкиваются с новыми проблемами, связанными с большими объемами данных и увеличением нагрузки на связь между памятью и процессором. Для решения этой вычислительной проблемы требуется новый подход/архитектура. Например, вычисления в памяти (IMC) представляются многообещающим подходом к устранению узких мест в памяти и обеспечению более высокого параллелизма обработки данных благодаря архитектуре массива памяти. IMC демонстрирует лучшую пропускную способность и меньшее энергопотребление по сравнению с традиционным цифровым подходом.

Решение есть, и это мемристор.

Как же работает мемристор?

Мемристор - это частный случай физического явления, которое называется резистивное переключение. Резистивное переключение - это явление, когда сопротивление диэлектрического материала изменяется в ответ на приложение сильного внешнего электрического поля. Но это не "пробой" диэлектрика, так как возможно возвращение в обратное состояние. Первым открыл явление резистивного переключения в 1962 году ^[6] в пленке оксида алюминия T. W. Hickmott. А в 1971 году L. Chua ^[7] предложил новый элемент электросхемы - мемристор.

Резистивные переключения происходят во многих изоляционных материалах: оксиды, нитриды, халькогениды, полупроводники, органические материалы. Однако наиболее широко резистивные переключения изучены в оксидах. Устройства для резистивных переключений имеют конфигурацию с двумя выводами, подобную конденсатору, это изображено на рис. 1.

Резистивное переключение происходит при формировании или разрушении токопроводящих нитей в диэлектрике. Процесс образования нитей отображен схематично на рис. 2.

Вольт-амперный процесс преобразования материала в мемристор можно разделить на три этапа:

1. При приложении сильного электрического поля происходит резкое увеличение тока, называемое процессом «формирования», и устройство становится переключаемым. Зеленая линия на рис. 3.

2. Устройство в состоянии низкого сопротивления переходит в состояние высокого сопротивления за счет приложения внешнего смещения, называемого «сбросом». Красная линия на рис. 3.

3. И наоборот, состояние высокого сопротивления можно заменить на состояние низкого сопротивления, называемую «установка». Голубая линия на рис. 3.

Простыми словами, работу транзистора и мемристора можно описать так:

• транзистор: подали напряжение на базу – проводит ток, убрали напряжение - не проводит ток (полупроводник). При этом используется три контакта: эмиттер, коллектор и база

• мемристор: после напряжения установки – проводит ток, после напряжения сброса - не проводит ток (полупроводник). При этом используется два контакта.
  То есть мемристор хороший кандидат для электронных схем новой архитектуры.

Преимущества мемристора

Исследование мемристоров и их применения ведется уже длительное время. Один из перспективных способов применения - это RRAM (Resistive random-access memory), резистивная память с произвольным доступом. Прототипы уже исследованы, в таблице ниже можно убедиться в значительных преимуществах некоторых характеристик нового элемента (размер, скорость, время хранения состояния).

Давайте обобщим все преимущества RRAM на мемристоре:

• Два метастабильных состояния, которые можно использовать: состояния «0» и «1» энергонезависимой памяти. Поскольку такие состояния стабильны без внешнего смещения, рабочая энергия для RRAM может быть довольно небольшой.

• В RRAM состояния «0» и «1» можно переключать с помощью внешних электрических импульсов, что делает его работу простой и легкой.

• Значение сопротивления каждого состояния может быть легко считано путем приложения очень небольшого напряжения без нарушения исходного состояния, что позволяет считывать данные без разрушения.

• Простая геометрия конденсатора ячейки RRAM без транзистора делает устройство хорошо масштабируемым.

• Поскольку явление резистивного переключения наблюдается во многих изоляционных материалах, должно быть легко найти подходящие материалы.

• Устройства RRAM могут использоваться для преодоления ограничений масштабирования современных кремниевых устройств.

• Двухконтактная конфигурация устройств RRAM делает их подходящими для многоуровневой структуры. Например, пассивная двухконтактная многоуровневая структура, состоящая из блоков с одним диодом и одним резистором, может считаться более выгодной, чем активные конфигурации, которые включают транзистор. Такая многослойная структура предлагает значительные преимущества для увеличения емкости памяти по сравнению с простыми двухмерными многоуровневыми структурами.

В апреле этого года израильская компания Weebit Nano заявила ^[8], что успешно протестировала резистивную память и начнет массовое производство на американском заводе компании SkyWater Technology. Это означает, что новые устройства на мемристорах появятся в уже ближайшем будущем.

Источник: Resistive switching phenomena: A review of statistical physics approaches (Jae Sung Lee, Shinbuhm Lee, and Tae Won Noh)