Представьте себе смартфон в кармане, центры обработки данных, питающие искусственный интеллект, или носимые устройства для мониторинга здоровья, отслеживающие сердцебиение. Все они используют энергоёмкие микросхемы памяти для хранения и обработки информации. Поскольку спрос на вычислительные ресурсы продолжает расти, возрастает и потребность в устройствах памяти, которые были бы меньше, быстрее и гораздо более эффективными.
Новое исследование физиков из Обернского университета сделало важный шаг навстречу решению этой задачи. В статье «Переключение в мемристорах на основе монокристаллических дихалькогенидов переходных металлов с помощью электродов» (Electrode-Assisted Switching in Memristors Based on Single-Crystal Transition Metal Dichalcogenides), опубликованной в журнале ACS Applied Materials & Interfaces, показано, как мемристоры — сверхтонкие устройства памяти, «помнящие» прошлые электрические сигналы, — переключают своё состояние с помощью электродов и тонких атомных изменений внутри материала.
В основе работы — дихалькогениды переходных металлов (TMDs)
В основе работы лежат дихалькогениды переходных металлов (TMDs) — кристаллы, которые можно расщепить до плёнок толщиной в несколько атомов. Эти материалы могут вести себя как полупроводники, блокируя ток, или как металлы, свободно его проводящие.
Команда из Обернского университета продемонстрировала, что присоединение различных металлических электродов может склонить чашу весов между этими двумя состояниями, предоставляя инженерам новый мощный способ настройки производительности устройств.
«Это фундаментальная наука с весьма практическими последствиями», — говорит доктор Марсело Курода, доцент кафедры физики Обернского университета и старший автор исследования. «Выбирая правильный электрод, мы можем заставить эти устройства переключаться более надёжно и при более низкой мощности. Именно это нам нужно для следующего поколения электроники».
Широкие возможности применения
Открытие имеет широкие перспективы применения. Поскольку мемристоры имитируют то, как нейроны усиливают и ослабляют свои связи, они идеально подходят для нейроморфных вычислений — аппаратного обеспечения, созданного для мышления и обучения подобно человеческому мозгу. Такие системы могут запускать искусственный интеллект за небольшую часть сегодняшней стоимости энергии.
Но на этом перспективы не заканчиваются. Поскольку TMDs могут быть изготовлены толщиной всего в несколько атомов, они также являются кандидатами для гибкой и носимой электроники. Представьте себе медицинские имплантаты, которые работают годами от одной батареи, или умную одежду, сотканную с датчиками, которые адаптируются к вашему телу в режиме реального времени.
«По мере того как наш мир становится всё более связанным, от серверов искусственного интеллекта до носимых устройств, энергопотребление вычислительных систем становится глобальной проблемой, — объясняет доктор Курода. — Наша работа указывает на путь, по которому мы можем создавать мощную и устойчивую электронику».
Для достижения этих выводов исследователи использовали расчёты из первых принципов для характеристики физических свойств этих TMDs в различных условиях. Они обнаружили, что синергия между электродами, снижение энергетического барьера, который удерживает материал «застрявшим» в одном состоянии, и крошечные атомные вакансии — отсутствующие атомы в кристаллической решётке — играют роль в облегчении перехода между изоляционными и металлическими фазами.
Результаты соответствуют экспериментальным наблюдениям, подтверждая, что это переключение — не просто теоретическая диковинка, а реальный механизм, который инженеры могут использовать при производстве устройств.
Исследование из Обернского университета представляет собой план по разработке более надёжных мемристоров, которые однажды могут заменить или дополнить память в компьютерах, смартфонах и бесчисленных других устройствах.
«Вместо того чтобы бороться с несовершенствами этих материалов, мы учимся их использовать, — говорит доктор Курода. — Вот что интересно: то, что когда-то казалось недостатком, на самом деле может стать ключом к созданию следующего поколения технологий».
Предоставлено Обернским университетом.