От транзистора к мемристору: переключающие технологии будущего

Прочитано: 170 раз(а)
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (2 голосов, среднее: 5,00 из 5)
Loading ... Loading ...


Изобретение транзистора Лабораторией Белла в 1947 году открыло эру электронных устройств, которые были меньше по размеру и работали медленнее, потребляя гораздо меньше энергии, чем их громоздкие и хрупкие аналоги на электронных лампах. Транзисторы функционируют как двоичный переключатель, переводящий электрический ток из состояния «выключено» в состояние «включено». Радиоприемники, калькуляторы и телефоны были одними из первых приборов, которые заменили электронные лампы новой полупроводниковой технологией. По мере того, как технология становилась все меньше и меньше, в последующие десятилетия кремниевые транзисторы постепенно интегрировались в устройства, и сегодняшние компьютеры, сотовые телефоны, часы, кардиостимуляторы и практически все виды электронных устройств полагаются на них для высокоскоростной обработки и памяти.

Введите мемристор, электронное устройство, которое эмулирует двоичный переключатель, используя двух-, а также трехмерную матричную конфигурацию или массив поперечных стержней, чтобы регулировать состояния проводимости на основе сопротивления тока. Доктор Марио Ланца, адъюнкт-профессор материаловедения и инженерии KAUST, утверждает, что, как и в случае с транзистором, мемристоры станут новым стандартом технологии переключения, превзойдя транзисторы по скорости и эффективности, — это лишь вопрос времени.

Ланца является ведущим автором недавно опубликованной обзорной статьи «Мемристивные технологии для хранения данных , вычислений, шифрования и радиочастотной связи», посвященной 75-летию открытия транзистора в журнале Science. Благодаря выводам соавторов как из промышленности, так и из академических кругов, статья является первой, в которой содержится исчерпывающая сводка данных, подтверждающая уровень готовности мемристорной технологии для различных материалов и приложений.

«Мемристоры в основном могут быть изготовлены из четырех различных материалов, которые можно применять в четырех приложениях, всего 16 комбинаций, и эта статья охватывает их все», — сказал Ланца. «Мы статистически показываем технические критерии того, как мемристоры работают в этих различных конфигурациях. Вы видите, что работает, и это очень интересно. Наша подборка результатов может оказать важное влияние на эту область».

Ланца предвидит, что в будущем возможны многие другие комбинации, поскольку мемристоры, изготовленные из двумерных слоистых материалов и перовскитов, быстро улучшают свои характеристики, и могут быть разработаны дополнительные приложения.

Выходя за рамки

Текущая технология чипов уже достигла фундаментального предела квантовой механики с точки зрения размера. Чип-транзисторы не могут быть меньше межатомного расстояния. Поскольку уменьшение масштаба невозможно, мемристивная технология расширяется, интегрируя вертикальную трехмерную технологию, включающую наноразмерную матрицу металлических проводов с изолирующим переключателем — мемристором — на каждом соединении. Применение импульсов напряжения разрушает изоляцию, создавая путь для протекания тока. При снятии напряжения измененная структура материала остается в виде проводящего призрака или памяти, которую при повторном приложении напряжения можно обратить вспять для восстановления исходного состояния.

Таким образом, мемристор служит переключателем полярности, который можно переключать между проводящим и непроводящим состояниями. Ланца сказал, что эту возможность можно использовать для множества различных функций в интегрированной последовательности.

«Мемристор подобен швейцарскому армейскому ножу. Его можно использовать для многих целей», — сказал Ланца. «Это переключатель со многими состояниями, которые я могу настроить, независимо от того, хочу ли я 25 стабильных или нестабильных состояний, или десять или два. Сеть можно запрограммировать для выполнения расширенных вычислений с высокой скоростью, потребляя гораздо меньше энергии в гораздо меньшем пространстве и на большей скорости. приложения — расчеты, которые в противном случае потребовали бы множества транзисторов для выполнения одной и той же работы».

Четыре типа материалов, не основанных на кремнии, которые, по словам Ланца, используются для изготовления мемристоров, — это оксиды металлов, такие как диоксид гафния; фазовые, т.е. халькогены; магнитные, т.е. кобальтовые или железные; и сегнетоэлектрик, т. е. титанат бария. Основными приложениями, для которых используются мемристоры, являются хранение, вычисления, связь и шифрование. В зависимости от используемого материала и применяемого электрического сопротивления производительность можно регулировать в соответствии с требованиями различных технологий.

Устранение пробелов

3D-интеграция мемристоров позволяет упаковывать больше устройств, сохраняя при этом минимально возможный размер, доказывая, что размер не является святым Граалем для повышения эффективности работы. Ланца сказал, что эта технология уже применяется на транзисторах, но это новая область для мемристоров. Несмотря на то, что концепция мемристоров была представлена ​​в 1970-х годах, технология не получила распространения до последнего десятилетия или около того.

В то время как мемристоры уже можно найти в некоторых продуктах, таких как центры обработки данных и часы, Ланца сказал, что есть много многообещающих приложений, которые еще предстоит изучить, и что промышленность внимательно следит за технологией, чтобы оценить будущее коммерческое использование, помимо электроники на кремниевых транзисторах.

Он приписывает объем и детализацию выводов статьи междисциплинарному характеру команды. Трое соавторов — ученые из промышленности, а шестеро, в том числе Ланца, — из научных кругов. Из трех авторов, представляющих промышленность, один представляет Тайваньскую компанию по производству полупроводников (TSMC) — многонациональную компанию, ответственную за производство большей части микросхем в мире, включая самые маленькие и самые совершенные микросхемы; и два от International Business Machines (IBM) — лидера в предоставлении передовых информационных технологий, работающего более чем в 170 странах.

Авторы статьи из академических кругов привнесли свой опыт в конкретных приложениях мемристоров, включая шифрование данных, область, в которой не хватает информации для отраслевых стандартов. Ланца сказал, что документ устраняет эти пробелы, устанавливая базовые стандарты технических спецификаций, на которые могут ссылаться и уточнять отрасли промышленности и другие организации.

Ожидается, что к 2026 году рынок вырастет до 5,6 млрд долларов, что на 2% больше, чем на рынке памяти, который оценивается почти в 280 млрд долларов. Он надеется, что документ даст компаниям стимул, необходимый для инвестиций в новые технологии на основе мемристоров .

Доктор Мэн-Фан Чанг, директор корпоративных исследований TSMC и почетный профессор Национального университета Цинхуа, сказал: «Это первая статья, в которой представлен широкий обзор структуры и применения мемристоров — электронных устройств, которые, как ожидается, произвести революцию в микроэлектронной промышленности».

От транзистора к мемристору: переключающие технологии будущего



Новости партнеров