Институтский Семинар
Институтский Семинар в четверг 23 апреля, в 10:00 в конференц-зале АК
Новые концепции энергонезависимой памяти:
физические принципы и попытки реализации в устройствах
, к. ф.-м. н., зав. лаб. функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ, Москва
Общеизвестно, что тепловыделение в современных цифровых процессорах ограничивает дальнейшее развитие КМОП-технологий на кремнии (т. н. “power wall”). Вместе с тем, оценки [P. Kogge, The tops in flops, IEEE Spectr 48 49 (2011)] предсказывают к концу этого десятилетия значения энергозатрат на одну логическую операцию всего в 5-10 пДж, что по крайней мере на 2 порядка ниже по сравнению с паразитными емкостными потерями во время передачи информации между вычислительными модулями и модулями памяти. Поэтому, возможно, наиболее первоочередной задачей является создание сверхплотной быстрой энергонезависимой («универсальной») памяти внутри или непосредственно над чипом процессора.
Среди различных концепций энергонезависимой памяти, доминирующей в настоящее время является флэш-память, однако и ей присущи недостатки: низкое быстродействия (~ 0.1 мс), малое число циклов перезаписи (~ 105) и высокое энергопотребление. При этом, конструктивно элемент памяти представляет собой транзистор с плавающим затвором, что не позволяет разместить элемент памяти в слоях металлизации. Таким образом, флэш-память не может использоваться для решения поставленной задачи. В связи с этим, большие усилия научного сообщества в мире направлены на разработку энергонезависимой памяти на альтернативных принципах.
В частности, одной из перспективных концепций построения сверхплотной, быстрой (~ 0,1-10 нс) и долговечной (~1010 циклов перезаписи) энергонезависимой памяти, расположенной в слоях металлизации микропроцессоров, является использование эффектов обратимого резистивного переключения (resistive switching, ReRAM) в структурах металл-изолятор-металл (МИМ), в частности, на основе оксидов переходных металлов HfO2 и Ta2O5. В докладе будут представлены последние результаты команды исследователей в МФТИ по исследованию физических механизмов резистивного переключения такого рода структурах, выращенных методами атомного слоевого и магнетронного осаждения.
Другой перспективной концепцией с применением простых конструкций запоминающих элементов является память на основе сегнетоэлектриков (т. н. FeRAM), которая является лидером по количеству циклов перезаписи (~1014), а также высоким быстродействием (~ 10 нс) и крайне низким энергопотреблением. В докладе рассматриваются альтернативные концепции сегнетоэлектрической памяти, и представлены результаты по синтезу и функционализации сверхтонких сегнетоэлектрических слоев на основе орторомбической фазы HfO2. в т. ч. на кремниевых подложках.
Возможность многоуровневого («аналогового») переключения проводимости в мемристорах на основе синтезированных структур может быть использовано для функциональной реализации "электронных синапсов", а массивы таких «синапсов» - для создания новой архитектуры нейроморфных вычислений и радикально более эффективного решения задач распознавания образов, речи, селекции целей и др. В докладе будет представлен статус исследований в МФТИ в этом направлении.
