В МФТИ создали устройство для имитации биологической памяти

Ученые из МФТИ представили мемристор второго рода на базе оксида гафния. Это устройство, подобно синапсу в живом мозге, запоминает информацию и естественным образом постепенно забывает те данные, к которым давно не обращались.

Мемристоры могут стать основой для нейроморфных компьютеров с аналоговой архитектурой, имитирующих обучение биологического мозга. Статья опубликована в журнале ACS  Applied Materials  & Interfaces.

Нейроморфные компьютеры, лежащие в основе искусственного интеллекта, воспроизводят устройство мозга. При этом нейроны и связи между ними — синапсы — можно реализовать цифровым или аналоговым способом. В  первом случае они представляют собой математические модели, использующие компьютеры с обычной цифровой архитектурой. Во  втором случае узлы и связи нейросети  — это реальные элементы на микросхеме.

Хотя большинство современных нейрокомпьютеров использует цифровой подход, аналоговая архитектура имеет серьезный потенциал. В  теории такие машины могли бы проводить вычисления быстрее и тратить несоизмеримо меньше электроэнергии.

Базовый компонент аналоговых нейрокомпьютеров  — мемристор. Это устройство, впервые испытанное в 2008 году, представляет собой ячейку памяти  (ср.  англ. memory), которая ведет себя как резистор с управляемым сопротивлением. Именно величина сопротивления кодирует информацию в мемристоре, подобно силе синапса между нейронами мозга.

Но живой мозг устроен сложнее: при редкой активации синапсов их сила уменьшается, а при частой  — наоборот, увеличивается. Это свойство лежит в основе естественной памяти и обучения. Поэтому мы постепенно забываем образы, к которым мозг редко обращается, а повторение конспекта лекции фиксирует материал в памяти.

В  2015 году был предложен мемристор второго рода, который воспроизводит усиление и ослабление связей между нейронами мозга. Физически естественную память можно реализовать по-разному. Один из вариантов — формирование в мемристоре проводящих ток мостиков из наночастиц. Эти мостики снижают сопротивление, но со временем естественным образом распадаются, что соответствует забыванию информации.

«Недостаток этого решения в том, что в течение работы устройство ощутимо меняет свое поведение, а в какой-то момент не выдерживает и разрушается,  — рассказывает ведущий автор исследования Анастасия Чуприк из лаборатории нейровычислительных систем МФТИ.  — Мы  использовали более надежный механизм, который продемонстрировал впечатляющий запас прочности: после проверки на 100 млрд циклов переключения система почти не изменила свои свойства и коллеги отчаялись исчерпать ресурс ячейки памяти».

Подход научной группы из МФТИ основан на использовании сегнетоэлектрика. Это вещество, которое под действием внешнего электрического поля меняет и затем сохраняет свою электрическую поляризацию, подобно намагниченности железа. Под поляризацией в данном случае понимается распределение связанного заряда в материале.

Исследователи реализовали мемристор второго рода в виде сегнетоэлектрического туннельного перехода  — двух электродов, между которыми проложена тонкая пленка сегнетоэлектрика, оксида гафния  (рис.  1, справа). Внешние электрические импульсы контролируют поляризацию пленки в мемристоре, что и определяет его сопротивление.

«Самое сложное  — это подобрать подходящую толщину сегнетоэлектрического слоя,  — добавляет Анастасия Чуприк.  — Оказалось, что для оксида гафния она составляет 4  нанометра. Если сделать пленку всего на нанометр тоньше, то она потеряет сегнетоэлектрические свойства, а если толще — электроны не смогут туннелировать через нее, а именно туннельный ток поддается регулировке через поляризацию».

Оксид гафния  — не единственный сегнетоэлектрик, но он имеет важное преимущество перед титанатом бария и другими подобными материалами. Содержащие гафний вещества уже прижились в микроэлектронной промышленности. Например, они с 2007 года используются в микрочипах «Интел». Поэтому внедрение подобных разработок потребует не так много времени и инвестиций, как для нового материала.

Любопытно, что исследователям, в сущности, удалось воплотить механизм забывания за счет «несовершенства» материала. Именно дефекты на границе между кремнием и оксидом гафния, которые мешали внедрению этого материала в процессорах, делают возможным затухание проводимости мемристора со временем, воспроизводящее естественную память.

Виталий Михеев, первый автор исследования, поделился планами коллектива: «В  будущем мы рассмотрим взаимодействие разных механизмов, которые переключают сопротивление в мемристоре. Оказывается, сегнетоэлектрический эффект  может быть не единственным в наших структурах. Поэтому для дальнейшего совершенствования устройств потребуется разделять влияние разных механизмов и уметь их комбинировать».

По словам авторов исследования, они продолжат изучать фундаментальные свойства оксида гафния, чтобы повысить надежность хранения информации в ячейках энергонезависимой памяти. Кроме того, планируется перенос устройств на гибкую подложку для использования в гибкой электронике.

___

В прошлом году научная группа подробно описала переключение поляризации оксида гафния под действием электрического поля. Именно этот процесс позволяет снижать сопротивление сегнетоэлектрического мемристора, что соответствует усилению синапса в биологическом мозге. Лаборатория нейровычислительных систем также занимается нейрокомпьютерами с цифровой архитектурой.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда.