Название "мемристор" пока не известно большинству. Внутри этого коробка размером чуть больше спичечного скрывается чип, который может стать «памятью» нового поколения, заменить микросхемы оперативной памяти и жесткие диски в компьютерах и использоваться в любых гаджетах.
В размере нанометра
- Это удешевит компьютеры, они будут меньших размеров, станут работать быстрее и эффективнее. Пройдет несколько лет, и начнется промышленный выпуск компьютеров с универсальной памятью на мемристорах, которые будут работать намного быстрее, обрабатывать и хранить в разы больше данных. Разработки в данном направлении ведутся как во всем мире, так и нашими учеными. В том числе в рамках федеральной целевой программы запоминающее устройство на основе мемристора создано в ННГУ (в партнерстве с НИИИС им. Ю.Е.Седакова), - рассказывает заведующий отделом твердотельной электроники и оптоэлектроники НИФТИ ННГУ, кандидат физико-математических наук Олег Горшков.
Так что же такое мемристор? Это микроэлектронный элемент, который может изменять свое сопротивление в зависимости от величины тока, который проходил через него до этого. Таким образом, мемристор обладает «памятью», что как раз и позволяет рассматривать его в качестве запоминающего устройства нового типа, или микрочипа.
Конструктивно мемристоры значительно проще флеш-накопителей (флешек): они состоят из тонких оксидных пленок с толщиной порядка 10 нм. Оксидные пленки расположены между двумя проводящими электродами. Вот это, пожалуй, и все основные элементы устройства.
Все процессы в мемристорах происходят на атомном уровне. Толщина 10 нанометров означает, что там поперек можно расположить лишь 20 - 30 атомных слоев (!). Это нанофизика, наноэлектроника.
- По тем исследованиям, которые сегодня выполнены, можно сказать, что размер ячейки памяти мемристора может быть в поперечнике порядка единиц нанометров, то есть плотность записи возрастает в десятки раз, скорость записи и считывания информации также увеличивается, - объясняет Олег Николаевич.
В ННГУ сегодня сразу несколько коллективов ученых заинтересованы в дальнейшем улучшении параметров и характеристик мемристоров. В одной команде с физиками и математиками вместе работают биологи. И это не случайно.
Способен к обучению
Дело в том, что по своему поведению мемристоры очень похожи на биологические синапсы, которые связывают нейроны друг с другом в головном мозге человека. Как известно, толчок ко многим техническим изобретениям давали наблюдения за живой природой - насекомыми, рыбами, животными. Схожесть в поведении мемристоров и синапсов подтолкнула исследователей к идее связать мемристор с живым объектом - нервной клеткой. Возможность использовать мемристоры для решения биомедицинских задач может быть одним из важнейших направлений для развития нейронауки сегодня.
В головном мозге сто миллиардов нейронов. Они связаны между собой синапсами - на один нейрон до 10 тысяч каналов связи, или синапсов. Биологи сегодня заметно продвинулись в понимании того, какие биохимические процессы происходят в мозге человека, в том, как устроены нейроны и синапсы. А мемристор - это новейшее достижение электроники. Ученые даже называют мемристоры электронными синапсами.
- Мы научились делать матрицы, массивы мемристоров и пытаемся совмещать их с живыми объектами. Когда мы связываем с помощью одного мемристора два электронных объекта, скажем два электрических генератора, то мы меняем параметры сигнала на одном генераторе, а второй «понимает», что к нему приходит информация. Происходит это благодаря тому, что мемристор обучается, меняет свои параметры таким образом, чтобы электронные сигналы могли пройти на второй генератор и запустить его работу. Этот же принцип используется при объединении мемристора и живой клетки, - разъясняет Олег Горшков.
Электроника плюс биология
В головном мозге происходят биохимические процессы, которые сопровождаются выработкой электрических сигналов в живых нейронах, и эти сигналы можно также использовать для воздействия на мемристор.
Это открывает огромные перспективы с точки зрения управления живыми объектами через электронику и наоборот. Это важно как для управления роботами, так и для взаимодействия с мозгом больного человека для того, чтобы воздействовать на определенные области в организме, которые не работают. Предположим, требуется восстановить участок спинного мозга. На основе мемристоров можно сделать электронный сегмент спинного мозга. Устройство может даже находиться вне человека, скажем, в кармане у больного…
- Можно фантазировать и дальше по поводу применения этих разработок, но пока люди на самом начальном этапе, - включается в разговор заведующий лабораторией физики и технологии тонких пленок НИФТИ ННГУ, кандидат физико-математических наук Алексей Михайлов.
Словом, ученые увидели аналогию в работе электронных устройств с работой живых синапсов и нейронов, и науке предстоит понять, как живое воздействует на электронные устройства и как можно живым управлять с помощью электронных устройств.
Сегодня тайны работы мозга еще не раскрыты полностью, но специалисты предполагают, что, например, работа нашей памяти определяется именно тем, какие нейроны мозга связаны друг с другом и насколько эти связи сильны. Соответственно процесс запоминания трактуется как изменение силы этих связей под действием ощущений, порождающих сигналы в нейронной сети мозга.
Еще один проект ННГУ связан с созданием нейроморфных аналоговых вычислительных систем: на основе мемристоров можно сделать биоподобные вычислительные системы, которые по архитектуре, по организации аналогичны тому, как наш мозг производит вычисления.
Как рождается решение
Парадоксальная вещь: сложные вычисления, которые человек совершает часами, компьютеры делают за микро- или даже наносекунды. За миллионную, тысячную долю секунды в компьютере происходит обмен информацией между ячейками. У человека процесс передачи информации в мозге происходит достаточно медленно, и тем не менее человек может довольно быстро реагировать на происходящее и принимать решения, которые не по силам компьютеру, так как машина лишь запрограммирована на какие-то действия.
С другой стороны, если говорить о распознавании образов машиной, то компьютер видит отдельные пиксели, но не воспринимает лицо на фото целиком. Получается, что суперкомпьютер, занимающий целое здание и потребляющий гигаватты электричества, не может решить ту задачу, которая не представляет сложностей для человеческого мозга, потребляющего порядка одного ватта энергии.
Помочь раскрыть секрет работы человеческого мозга можно опять же с помощью таких устройств, как мемристор. Моделируя процесс передачи информации на отдельных искусственно созданных нейронах, можно приблизиться к пониманию того, как человек принимает решения. В планах ученых сделать мемристор наноскопического размера, чтобы число элементов было сопоставимым с тем, которое имеется в нашей голове. Впрочем, размер сегодня не играет существенной роли. Сейчас важно, чтобы возникло понимание того, как это работает. И в соответствии с этим построить некие аналоги живых систем.
- Мы предполагаем, что можно сделать небольшую сеть и заместить часть спинного мозга, что позволит существенно продвинуться в решении задач нейрореабилитации. Уже подана заявка на исследования в этой области совместно с Казанским федеральным университетом, - рассказывает Алексей Михайлов.
Эксперимент состоялся
В рамках действующего проекта Российского научного фонда в ННГУ продвинулись в реализации простых связей между живыми клетками и мемристором. Клетки мозга берутся у эмбриона крысы. В специальной питательной среде их «жизнь» поддерживается в установке, где созданы условия, приближенные к тому, что и в головном мозге человека: влажность 100 процентов, температура +35 градусов Цельсия, состав воздуха 95 процентов - кислород, 5 процентов - углекислый газ. Клетки остаются живыми в течение нескольких месяцев.
- Мемристор с живой клеткой мы соединяем проводами подобно тому, как в организме человека все соединяется нервными волокнами, по которым проходят нервные импульсы. В ходе экспериментов суспензию с живыми нейронами помещаем на микроэлектродную матрицу, что позволяет отслеживать активность нейронов. К этой матрице и подключается мемристорная сеть.
- Первые эксперименты показали, что обмен импульсами или общение между нейроном и мемристором действительно состоялось.
Связь между живой клеткой и мемристором была зафиксирована. Теперь задача в том, чтобы мемристорная сеть передавала сигнал в обратном направлении через эти же электроды на живые клетки, - объясняет доцент кафедры нейротехнологий, кандидат физико-математических наук Алексей Пимашкин.
Как создаются чудо-пленки
В течение пяти последних лет в ННГУ была разработана технология создания тонкопленочных структур для мемристоров. Наносят их в установках магнетронного распыления в лаборатории физики и технологии тонких пленок НИФТИ. Состоят они из оксидных, металлических материалов, которые можно использовать в промышленном производстве. Чтобы сделать мемристор с правильными свойствами, надо контролировать состав, структуру входящих в него пленок нанометровой толщины. Такие тонкие исследования проводят в лабораториях научно-образовательного центра «Физика твердотельных наноструктур».
- В зависимости от толщины и нужного состава время выращивания пленки составляет от нескольких минут до нескольких часов. Затем готовая пленка тщательно исследуется в течение нескольких недель. Один атомный слой осаждается за секунду. Сколько нужно слоев, столько нужно и времени. Как он получается? Берется кусок металла, а точнее его стружка, затем в камеру для осаждения пленок запускается кислород под низким давлением, включается электронная пушка, и электронный пучок бьет по металлической мишени, распыляя ее. Атомы металла попадают на подложку «прыгают по ней», сталкиваются с атомами кислорода и превращаются в оксид (запускается химическая реакция), образуя кристаллическую решетку. Так формируется пленка. Механически она прочная, но если до нее дотронуться рукой, то на поверхности останется жир или грязь и информация об ее первоначальном составе искажается. Поэтому образцы изготавливаются в условиях высокой стерильности.
- В сверхвысоковакуумном комплексе с точностью до нанометра можно разглядеть состав и структуру тонких пленок. Сверхточные микроскопы помогают контролировать качество пленки, - рассказывает ведущий научный сотрудник, доктор физико-математических наук Дмитрий Филатов.
Недостающий элемент
Идея мемристора была реализована на практике спустя 37 лет после ее теоретического обоснования. В 1971 году американский физик Леон Чуа из Калифорнийского университета в Беркли выдвинул гипотезу, согласно которой должен существовать четвертый базовый элемент электрических схем, который описывал бы взаимосвязь магнитного потока с зарядом. Чуа назвал его мемристором - от слов «резистор» и memory, то есть «память», что связано с одной из характеристик мемристора, так называемым «эффектом памяти», означающим, что свойства этого элемента зависят от приложенного ранее воздействия.
Реализовать на практике эту красивую теорию удалось лишь в 2008 году, когда появились подходящие материалы и технологии. Достижение группы ученых HP Labs под руководством Стэнли Уильямса в действительности трудно переоценить: впервые со времен Фарадея удалось физически воспроизвести принципиально новый элемент электрических цепей. К слову, одним из ведущих разработчиков группы Уильямса и соавтором научной статьи о мемристорах в журнале Nature стал наш соотечественник Дмитрий Струков.
Источник http://rscf.ru