Еще в 1971 году была предсказана возможность
построения принципиально нового пассивного электронного элемента —
мемристора (мемристор, англ. memristor, от memory – «память», и
resistor – «электрическое сопротивление»), первый же рабочий образец
мемристора появился в 2008-м. Итак, основные свойства мемристора –
будучи пассивным электроэлементом, способен изменять свое
сопротивление; может быть описан как двухполюсник с нелинейной
вольт-амперной характеристикой; обладает гистерезисом; сопротивление
двухполюсника изменяется в зависимости от общей величины заряда,
проходящего через элемент; сохраняет свое состояние при выключении
питания (то есть может служить энергонезависимым запоминающим
устройством).
Для реализации возможностей мемристоров необходимо включать их в
цепь совместно с активными элементами (транзисторами). Об успешном
создании такой микросхемы недавно объявили специалисты из компании НР (Hewlett Packard)
в Пало-Альто (США). По заявлению ученых, им удалось осуществить
программирование наномемристора средствами гибридной схемы и обеспечить
его функционирование в режимах логического элемента, запоминающего
устройства и коммутатора сигналов. Результаты исследований опубликованы
в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (Borghetti,
Julien; Li, Zhiyong; Straznicky, Joseph; Li, Xuema; Ohlberg, Douglas A.
A.; Wu, Wei; Stewart, Duncan R.; and Williams, R. Stanley. "A hybrid
nanomemristor/transistor logic circuit capable of self-programming.”
PNAS, February 10, 2009, vol. 106, no. 6, 1699–1703).
Созданный специалистами НР макет гибридной схемы представляет собой
матрицу из 42 проволок диаметром 40 нм, половина которых протягивается
в произвольном направлении параллельно друг другу, а вторая половина —
под углом 900 к выбранному на первом этапе направлению. Слой
полупроводникового материала (диоксида титана, TiO2) толщиной 20 нм
располагается между взаимно перпендикулярными проволоками в местах их
пересечения, формируя набор мемристоров. Важно, что на физическом
уровне значение проводимости мемристора определяется распределением
легирующей примеси в полупроводнике (положительно заряженных
кислородных вакансий); к примеру, при подаче положительного напряжения
смещения сопротивление элемента увеличивается. Полученную конструкцию
окружает массив полевых транзисторов, которые соединяются с выводами
мемристоров металлическими проводниками.
Рис.1. A) Оптическая микрофотография двух соединенных наносетка
(наномемристор)/транзистор микросхем. Вставка (В) – отдельное
электронно-микроскопическое изображение наносетки (наномемристора).
(Фото: National Academy of Sciences, USA.)
Тестирование схемы включало в себя два этапа. Сначала исследователи
оценили работоспособность мемристоров в режиме логических элементов:
схема должна была выполнить простую логическую операцию вида (AB + CD),
где начальные значения переменных А, В, С и D задаются напряжениями на
цифровых входах. Вычисления производились мемристорами, расположенными
в двух разных рядах, а выходные сигналы подавались на транзисторы и
усиливались ими. Получив удовлетворительные результаты, специалисты
перешли к следующей стадии эксперимента: изучению
«автопрограммируемого» мемристора.
Схема опыта была модифицирована следующим образом (см. рисунок 2):
число запрограммированных изначально мемристоров сократилось до двух
(соответственно, выполняемая ими логическая операция — И-НЕ — также
максимально упростилась), а выходной сигнал, обозначенный на
иллюстрации зеленым, посылался на транзистор, выдававший напряжение
VOUT на тот мемристор, который предполагалось программировать. На
второй иллюстрации дополнительно отмечены значения входных переменных
(VА и VВ) и напряжения питания транзисторов (V1, V2, V′1 и V′2). Этот
эксперимент также завершился удачно – проводимость заданного элемента
была изменена.
Рис.2. Схема экспериментов с автопрограммируемым мемристором.
Запрограммированные мемристоры обозначены черными точками, объект
конфигурирования – окружностью (иллюстрация из статьи).
Ученые надеются, что созданный ими прототип гибридной цепи послужит
основой для интеграции мемристоров в существующие на сегодняшний
день схемы.
Евгений Биргер |
