Eksperimenter viser, hvordan memristorer fungerer

I forsøg på to Department of Energy nationale laboratorier - SLAC National Accelerator Laboratory og Lawrence Berkeley National Laboratory - har forskere ved Hewlett Packard Enterprise (HPE) eksperimentelt bekræftet kritiske aspekter af, hvordan en ny type mikroelektronisk enhed, memristor, fungerer i atomskala.

Dette resultat er et vigtigt skridt i at designe disse solid-state enheder til brug i fremtidige computerhukommelser, der fungerer meget hurtigere, holder længere og bruger mindre energi end nutidens flash -hukommelse. Resultaterne blev offentliggjort i februar i Avancerede materialer .

"Vi har brug for information som denne for at kunne designe memristorer, der vil lykkes kommercielt, " sagde Suhas Kumar, en HPE-forsker og førsteforfatter på gruppens tekniske papir.

Memristoren blev teoretisk foreslået i 1971 som det fjerde grundlæggende elektriske apparatelement sammen med modstanden, kondensator og induktor. I hjertet er et lille stykke af et overgangsmetaloxid klemt mellem to elektroder. Påføring af en positiv eller negativ spændingsimpuls øger eller reducerer memristorens elektriske modstand dramatisk. Denne adfærd gør den velegnet til brug som en "ikke-flygtig" computerhukommelse, der, som flash-hukommelse, kan bevare sin tilstand uden at blive genopfrisket med yderligere strøm.

I løbet af det seneste årti, en HPE-gruppe ledet af seniorstipendiat R. Stanley Williams har udforsket memristor-design, materialer og adfærd i detaljer. Siden 2009 har de brugt intense synkrotronrøntgenstråler til at afsløre atomernes bevægelser i memristorer under skift. På trods af fremskridt med hensyn til at forstå karakteren af ​​dette skifte, kritiske detaljer, der ville være vigtige i at designe kommercielt succesfulde kredsløb, forblev kontroversielle. For eksempel, kræfterne der bevæger atomerne, resulterer i dramatiske modstandsændringer under skift, forblive under debat.

I de seneste år, gruppen undersøgte memristorer lavet med oxider af titanium, tantal og vanadium. Indledende eksperimenter afslørede, at indkobling af tantaloxid -enheder let kunne kontrolleres, så det blev valgt til yderligere udforskning på to DOE Office of Science brugerfaciliteter - SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) og Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS).

Hos ALS, HPE-forskerne kortlagde iltatomernes positioner før og efter skift. For det, de brugte et røntgenmikroskop med scanningstransmission og et apparat, de byggede til præcist at kontrollere placeringen af ​​deres prøve og tidspunktet og intensiteten af ​​500-elektronvolts ALS-røntgenstrålerne, som var indstillet til at se ilt.

Eksperimenterne afslørede, at selv svage spændingsimpulser skaber en tynd ledende bane gennem memristoren. Under pulsen opvarmes stien, som skaber en kraft, der skubber iltatomer væk fra stien, gør det endnu mere ledende. Ved at vende spændingsimpulsen nulstilles memristoren ved at suge nogle iltatomer tilbage i den ledende bane, og derved øge enhedens modstand. Memristorens modstand ændres mellem 10 gange og 1 million gange, afhængigt af driftsparametre som spændingspulsamplituden. Denne modstandsændring er dramatisk nok til at udnytte kommercielt.

For at være sikker på deres konklusion, forskerne skulle også forstå, om tantalatomerne bevægede sig sammen med ilten under skift. Billeddannelse af tantal krævede højere energi, 10, 000-elektronvolt røntgenstråler, som de opnåede på SSRL's Beam Line 6-2. I en enkelt session der, de fastslog, at tantalet forblev stationært.

"Det lukkede aftalen, at overbevise os om, at vores hypotese var korrekt, "sagde HPE -forskeren Catherine Graves, der havde arbejdet på SSRL som en Stanford kandidatstuderende. Hun tilføjede, at diskussioner med SLAC-eksperter var afgørende for at vejlede HPE-teamet mod røntgenteknikker, der ville give dem mulighed for at se tantal nøjagtigt.

Kumar sagde, at det mest lovende aspekt af tantaloxidresultaterne var, at forskerne ikke så nogen forringelse ved at skifte over mere end en milliard spændingsimpulser af en størrelsesorden, der er egnet til kommerciel brug. Han tilføjede, at denne viden hjalp hans gruppe med at bygge memristors, der varede næsten en milliard skiftecykler, omkring en tusind gange forbedring.

"Dette er meget længere udholdenhed, end det er muligt med nutidens flashhukommelsesenheder, " sagde Kumar. "Desuden, vi brugte også meget højere spændingsimpulser til at accelerere og observere memristor -fejl, hvilket også er vigtigt for at forstå, hvordan disse enheder fungerer. Fejl opstod, da iltatomer blev tvunget så langt væk, at de ikke vendte tilbage til deres oprindelige positioner."

Ud over hukommelseschips, Kumar siger, at memristorers hurtige omskiftningshastighed og lille størrelse kunne gøre dem velegnede til brug i logiske kredsløb. Yderligere memristor-egenskaber kan også være gavnlige i den nye klasse af hjerneinspirerede neuromorfe computerkredsløb.

"Transistorer er store og omfangsrige sammenlignet med memristorer, "sagde han." Memristors er også meget bedre egnet til at skabe de neuronlignende spændingsspidser, der kendetegner neuromorfe kredsløb. "