材料純度可能是憶阻器進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵

全的科學(xué)家都在致力于憶阻設(shè)備的研究,這些設(shè)備能夠以極低的功率運(yùn)行,并且行為類(lèi)似于大腦中的神經(jīng)元。憶阻器,全稱(chēng)記憶電阻器(Memristor)。來(lái)自JülichAachen研究聯(lián)盟(JARA)和德國(guó)技術(shù)集團(tuán)Heraeus的研究人員現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)如何系統(tǒng)地控制這些元素的功能行為,而其中材料的純度可能起著至關(guān)重要的作用。

人們發(fā)現(xiàn)材料組成上的*小差異至關(guān)重要:差異如此之小,以至于直到現(xiàn)在*家們都沒(méi)有注意到它們。研究人員的設(shè)計(jì)方向可以幫助提高基于憶阻技術(shù)的應(yīng)用的多樣性,效率,選擇性和可靠性,例如,節(jié)能,非易失性存儲(chǔ)設(shè)備或神經(jīng)啟發(fā)計(jì)算機(jī)。

憶阻器被認(rèn)為是計(jì)算機(jī)芯片中常規(guī)納米電子元件的極有前途的替代品。由于功能的優(yōu)勢(shì),各地的許多公司和研究機(jī)構(gòu)都迫切地追求其發(fā)展。日本NEC公司早在2017年就已經(jīng)在太空衛(wèi)星中安裝了*一批原型機(jī)?;萜?,英特爾,IBM和三星等許多其他公司都在努力將基于憶阻元素的創(chuàng)新型計(jì)算機(jī)和存儲(chǔ)設(shè)備推向市場(chǎng)。

從根本上說(shuō),憶阻器只是“帶記憶的電阻器”,其中高電阻(超高阻值貼片電阻)可以切換為低電阻,然后再切換回低電阻(超低阻值貼片電阻)。原則上,這意味著該裝置是適應(yīng)性的,類(lèi)似于生物神經(jīng)系統(tǒng)中的突觸。PeterGrünberg研究所(PGI-7)的Ilia Valov博士說(shuō):“憶阻元件被認(rèn)為是模擬在大腦上的神經(jīng)啟發(fā)計(jì)算機(jī)的理想候選者,在深度學(xué)習(xí)和人工智能方面引起了極大的興趣。”在ForschungszentrumJülich。

在新一期的開(kāi)放獲取期刊《  科學(xué)進(jìn)展》中, 他和他的團(tuán)隊(duì)描述了如何有選擇地控制憶阻元件的開(kāi)關(guān)和神經(jīng)形態(tài)行為。根據(jù)他們的發(fā)現(xiàn),關(guān)鍵因素是開(kāi)關(guān)氧化物層的純度。Valov說(shuō):“取決于是否使用純度為99.999999%的材料,以及是將一個(gè)外來(lái)原子引入一千萬(wàn)個(gè)純?cè)舆€是一百個(gè)原子,憶阻元素的性質(zhì)會(huì)有很大不同。”

材料純度可能是憶阻器進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵

迄今為止,這種效果一直被*家忽略。它可以非常專(zhuān)門(mén)用于設(shè)計(jì)憶阻系統(tǒng),其方式類(lèi)似于在信息技術(shù)中摻雜半導(dǎo)體。“外來(lái)原子的引入使我們能夠控制薄氧化物層的溶解度和傳輸性能,”賀利氏技術(shù)集團(tuán)的克里斯蒂安·諾伊曼博士解釋說(shuō)。自從2015年構(gòu)想出初的想法以來(lái),他就一直在為該項(xiàng)目貢獻(xiàn)材料專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

Valov表示:“近年來(lái),憶阻器件的開(kāi)發(fā)和使用取得了顯著進(jìn)展,但是,這一進(jìn)展通常僅憑經(jīng)驗(yàn)就可以實(shí)現(xiàn)。” 利用他的團(tuán)隊(duì)獲得的見(jiàn)識(shí),制造商現(xiàn)在可以有條不紊地開(kāi)發(fā)憶阻元件,以選擇所需的功能。摻雜濃度越高,隨著輸入電壓脈沖數(shù)量的增加和減少,元件的電阻變化就越慢,并且電阻保持越穩(wěn)定。“這意味著我們找到了一種設(shè)計(jì)具有不同興奮性的人工突觸類(lèi)型的方法,” Valov解釋說(shuō)。

人工突觸的設(shè)計(jì)規(guī)范

大腦學(xué)習(xí)和保留信息的能力在很大程度上可以歸因于這樣的事實(shí),即經(jīng)常使用神經(jīng)元之間的連接會(huì)增強(qiáng)。憶阻器件具有不同類(lèi)型,例如電化學(xué)金屬化單元(ECM)或價(jià)變化存儲(chǔ)單元(VCM)。當(dāng)使用這些組件時(shí),電導(dǎo)率隨輸入電壓脈沖數(shù)量的增加而增加。這些變化也可以通過(guò)施加相反極性的電壓脈沖來(lái)逆轉(zhuǎn)。

JARA研究人員在ECM上進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn),該ECM由銅電極,鉑電極和它們之間的二氧化硅層組成。由于與賀利氏研究人員的合作,JARA科學(xué)家獲得了不同類(lèi)型的二氧化硅:一種純度為99.999999%(也稱(chēng)為8N二氧化硅),另一種則含有100至10,000 ppm(百萬(wàn)分之幾)的外來(lái)原子。實(shí)驗(yàn)中使用的精確摻雜玻璃是由石英玻璃*家Heraeus Conamic專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)和制造的,該公司還擁有該程序的專(zhuān)利。銅和質(zhì)子用作移動(dòng)摻雜劑,而鋁和鎵用作非揮發(fā)性摻雜劑。

記錄切換時(shí)間證實(shí)了理論

基于他們的一系列實(shí)驗(yàn),研究人員能夠證明ECM的開(kāi)關(guān)時(shí)間隨著摻雜原子數(shù)量的變化而變化。如果切換層由8N二氧化硅制成,則憶阻組件僅需1.4納秒即可切換。迄今為止,ECM測(cè)得的較快值約為10納秒。通過(guò)用高達(dá)10,000 ppm的外來(lái)原子摻雜組分的氧化物層,將切換時(shí)間延長(zhǎng)到毫秒范圍。“我們還可以從理論上解釋我們的結(jié)果。這有助于我們了解納米級(jí)的物理化學(xué)過(guò)程,并將這些知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐中。” Valov說(shuō)。基于普遍適用的理論考慮,并得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的支持,其中一些文獻(xiàn)中也有記錄,

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