Dr. Ilia Valov (fram till vänster) i Oxide Cluster vid Forschungszentrum Jülich, där försök utfördes för det aktuella arbetet. I bakgrunden:Michael Lübben (mitten) och Prof. Rainer Waser (höger) Kredit:RWTH Aachen/Peter Winandy
Forskare runt om i världen arbetar intensivt med memristiva enheter som drar extremt låg ström och beter sig på samma sätt som neuroner i hjärnan. Forskare från Jülich Aachen Research Alliance (JARA) och den tyska teknikgruppen Heraeus rapporterar nu om den systematiska kontrollen av dessa elements funktionella beteende. De minsta skillnaderna i materialsammansättning visade sig vara avgörande, så liten att tills nu, experter hade inte lagt märke till dem. Forskarnas designriktningar kan bidra till att öka variationen, effektivitet, selektivitet och tillförlitlighet för memristive teknikbaserade applikationer, till exempel, energieffektiva, icke-flyktiga lagringsenheter eller neuro-inspirerade datorer.
Det japanska företaget NEC installerade de första memresistiva prototyperna i rymdsatelliter redan 2017. Många andra ledande företag som Hewlett Packard, Intel, IBM och Samsung arbetar för att få ut innovativa typer av datorer och lagringsenheter baserade på memristiva element på marknaden.
I grunden memristorer är helt enkelt "motstånd med minne, " där högt motstånd kan växlas till lågt motstånd och tillbaka igen. Detta betyder i princip att enheterna är adaptiva, liknande en synaps i ett biologiskt nervsystem. "Memristiva element anses vara idealiska kandidater för neuro-inspirerade datorer som modelleras efter hjärnan, som tilldrar sig stort intresse i samband med djupinlärning och artificiell intelligens, "säger Dr Ilia Valov från Peter Grünberg Institute (PGI-7) vid Forschungszentrum Jülich.
I det senaste numret av open access-tidskriften Vetenskapens framsteg, han och hans team beskriver hur omkopplingen och neuromorfa beteendet hos memristiva element kan kontrolleras selektivt. Enligt deras fynd, den avgörande faktorn är renheten hos kopplingsoxidskiktet. "Beroende på om du använder ett material som är 99,999999 % rent, och om du introducerar en främmande atom i 10 miljoner atomer av rent material, eller till 100 atomer, egenskaperna hos de memristiva elementen varierar avsevärt, säger Valov.
Denna effekt hade hittills förbises av experter. Den kan användas mycket specifikt för att designa memristiva system, på liknande sätt som dopning av halvledare inom informationsteknologi. "Introduktionen av främmande atomer tillåter oss att kontrollera lösligheten och transportegenskaperna hos de tunna oxidskikten, " förklarar Dr. Christian Neumann från teknologigruppen Heraeus. Han har bidragit med sin materialexpertis till projektet ända sedan den första idén skapades 2015.
"Under de senaste åren har det har gjorts anmärkningsvärda framsteg i utvecklingen och användningen av memristiva enheter, dock att framstegen ofta har uppnåtts på en rent empirisk grund, " enligt Valov. Genom att använda de insikter som hans team har fått, tillverkare kan nu metodiskt utveckla memristiva element genom att välja de funktioner de behöver. Ju högre dopingkoncentration, ju långsammare motståndet hos elementen ändras när antalet inkommande spänningspulser ökar och minskar, och ju stabilare motståndet förblir. "Detta betyder att vi har hittat ett sätt att designa typer av konstgjorda synapser med olika excitabilitet, säger Valov.
synapser, kopplingarna mellan neuroner, har förmågan att sända signaler med varierande styrka när de exciteras av en snabb följd av elektriska impulser. En effekt av denna upprepade aktivitet är att öka koncentrationen av kalciumjoner, med resultatet att fler signalsubstanser släpps ut. Beroende på aktivitet, andra effekter orsakar långsiktiga strukturella förändringar, som påverkar styrkan på överföringen i flera timmar, eller möjligen till och med för resten av personens liv. Kristallement gör att styrkan hos den elektriska transmissionen kan ändras på liknande sätt som synaptiska anslutningar, genom att lägga på en spänning. I elektrokemiska metalliseringsceller (ECM), en metalltråd utvecklas mellan de två metallelektroderna, vilket ökar konduktiviteten. Att applicera spänningspulser med omvänd polaritet får glödtråden att krympa igen tills cellen når sitt initiala högresistanstillstånd. Kredit:Forschungszentrum Jülich/Tobias Schloesser
Designspecifikation för artificiella synapser
Hjärnans förmåga att lära sig och behålla information kan till stor del hänföras till att kopplingarna mellan neuroner stärks när de används ofta. Memristiva enheter, av vilka det finns olika typer såsom elektrokemiska metalliseringsceller (ECM) eller valensförändringsminnesceller (VCM), bete sig likadant. När dessa komponenter används, konduktiviteten ökar när antalet inkommande spänningspulser ökar. Ändringarna kan också vändas genom att applicera spänningspulser med motsatt polaritet.
JARA-forskarna genomförde sina systematiska experiment på ECM, som består av en kopparelektrod, en platinaelektrod och ett lager av kiseldioxid mellan dem. Tack vare samarbetet med Heraeus-forskare, JARA-forskarna hade tillgång till olika typer av kiseldioxid:en med en renhet på 99,999999 % – även kallad 8N kiseldioxid – och andra som innehöll 100 till 10, 000 ppm (parts per million) främmande atomer. Det exakt dopade glaset som användes i deras experiment utvecklades och tillverkades speciellt av kvartsglasspecialisten Heraeus Conamic, som också innehar patentet för proceduren. Koppar och protoner fungerade som mobila dopningsmedel, medan aluminium och gallium användes som icke-flyktig dopning.
Rekordbytestid bekräftar teorin
Baserat på deras serie av experiment, forskarna kunde visa att ECM-omkopplingstiderna förändras när mängden dopningsatomer ändras. Om omkopplingsskiktet är gjort av 8N kiseldioxid, den memristiva komponenten växlar på bara 1,4 nanosekunder. Hittills, det snabbaste värdet som någonsin uppmätts för ECM hade varit cirka 10 nanosekunder. Genom att dopa oxidskiktet av komponenterna med upp till 10, 000 ppm främmande atomer, kopplingstiden förlängdes till intervallet millisekunder.
"Vi kan också teoretiskt förklara våra resultat. Detta hjälper oss att förstå de fysikalisk-kemiska processerna på nanoskala och tillämpa denna kunskap i praktiken, " säger Valov. Baserat på allmänt tillämpliga teoretiska överväganden och med stöd av experimentella resultat, han är övertygad om att dopnings-/föroreningseffekten förekommer och kan användas i alla typer av memristiva element.
