Учёные нашли возможность создать искусственный синапс для решения задач подобно мыслительному процессу человека. Сегодня для этого предлагается множество вариантов и один из самых перспективных видится в сегнетоэлектриках. На таких материалах уже лет 20 выпускается память FeRAM, а новое исследование показывает, как сделать элементы памяти атомарной толщины и приблизиться к нейроморфным вычислениям в объёме процессора.
Источник изображения: Stanford University
В серийно выпускаемой памяти FeRAM переключающий элемент обычно выполнен из пьезокерамики, а именно цирконат-титаната свинца (PZT). Свойства материала сохранять поляризацию даже после снятия внешнего управляющего сигнала — электромагнитного поля — придаёт памяти FeRAM её важнейшее свойство энергонезависимости. Она сохраняет данные даже при отключённом питании. Для имитации работы мозга — это крайне важно. Но в нынешнем виде ячейка FeRAM слишком крупная и «мозг» с её использованием будет очень и очень большой.
Для изготовления искусственных синапсов удобны тонкоплёночные структуры толщиной в несколько атомов — это даст малые размеры, высокая плотность и низкое энергопотребление. Выяснилось, что довольно перспективным сегнетоэлектрическим материалом для тонкоплёночных искусственных синапсов является оксид гафния (HfO2). Этот материал прекрасно осаждается из газовой среды с использованием современных методов создания тонкоплёночных структур с высокой точностью и под надёжным контролем. Температуры процессов создания плёнок совместимы с техпроцессами КМОП (CMOS) и не сожгут элементы чипа в процессе изготовления микросхем.
Схематическое изображение синапса человека (слева) и ячейки сегнетоэлектрической памяти (справа). Источник изображения: ACS Appl. Electron. Mater. 2020, 2, 12, 4023–4033
Определённая проблема была в том, что сегнетоэлектрические свойства HfO2 относительно нестабильны, но добавка в к нему циркония (Zr) решила эту проблему. Тем самым соединение оксид гафния-циркония (HZO) оказалось одним из сильных кандидатов для изготовления памяти с использованием сегнетоэлектриков и обещает революцию в области вычислений памяти.
Подпишись: