Dr. Ilia Valov (davanti a sinistra) nell'ammasso di ossidi al Forschungszentrum Jülich, dove sono stati effettuati gli esperimenti per il lavoro in corso. Sullo sfondo:Michael Lübben (al centro) e il prof. Rainer Waser (a destra) Credit:RWTH Aachen/Peter Wiandy
Scienziati di tutto il mondo stanno lavorando intensamente su dispositivi memristivi che assorbono una potenza estremamente bassa e si comportano in modo simile ai neuroni nel cervello. I ricercatori della Jülich Aachen Research Alliance (JARA) e del gruppo tecnologico tedesco Heraeus ora riferiscono il controllo sistematico del comportamento funzionale di questi elementi. Le più piccole differenze nella composizione del materiale si sono rivelate cruciali, così piccolo che fino ad ora, gli esperti non li avevano notati. Le indicazioni progettuali dei ricercatori potrebbero aiutare ad aumentare la varietà, efficienza, selettività e affidabilità per applicazioni basate sulla tecnologia memristiva, Per esempio, energia efficiente, dispositivi di archiviazione non volatili o computer di ispirazione neurologica.
La società giapponese NEC ha installato i primi prototipi memresistivi nei satelliti spaziali nel 2017. Molte altre aziende leader come Hewlett Packard, Intel, IBM e Samsung stanno lavorando per portare sul mercato tipi innovativi di computer e dispositivi di archiviazione basati su elementi memristivi.
Fondamentalmente, i memristori sono semplicemente "resistenze con memoria, " in cui l'alta resistenza può essere commutata a bassa resistenza e viceversa. Ciò significa in linea di principio che i dispositivi sono adattivi, simile a una sinapsi in un sistema nervoso biologico. "Gli elementi memristivi sono considerati candidati ideali per computer di ispirazione neurologica modellati sul cervello, che stanno suscitando molto interesse in relazione al deep learning e all'intelligenza artificiale, " afferma la dott.ssa Ilia Valov del Peter Grünberg Institute (PGI-7) al Forschungszentrum Jülich.
Nell'ultimo numero della rivista ad accesso aperto Progressi scientifici, lui e il suo team descrivono come la commutazione e il comportamento neuromorfo degli elementi memristivi possono essere controllati selettivamente. Secondo le loro scoperte, il fattore cruciale è la purezza dello strato di ossido di commutazione. "A seconda che si utilizzi un materiale puro al 99,999999 %, e se introduci un atomo estraneo in 10 milioni di atomi di materiale puro, o in 100 atomi, le proprietà degli elementi memristivi variano sostanzialmente, "dice Valov.
Questo effetto era stato finora trascurato dagli esperti. Può essere utilizzato in modo molto specifico per la progettazione di sistemi memristivi, in modo simile al drogaggio dei semiconduttori nella tecnologia dell'informazione. "L'introduzione di atomi estranei ci permette di controllare la solubilità e le proprietà di trasporto dei sottili strati di ossido, " spiega il Dr. Christian Neumann del gruppo tecnologico Heraeus. Ha contribuito al progetto con la sua esperienza sui materiali sin da quando l'idea iniziale è stata concepita nel 2015.
"Negli ultimi anni, ci sono stati notevoli progressi nello sviluppo e nell'uso di dispositivi memristivi, tuttavia che i progressi sono stati spesso realizzati su base puramente empirica, " secondo Valov. Utilizzando le intuizioni che il suo team ha acquisito, i produttori potrebbero ora sviluppare metodicamente elementi memristivi selezionando le funzioni di cui hanno bisogno. Maggiore è la concentrazione di doping, più lenta cambia la resistenza degli elementi all'aumentare e diminuire del numero di impulsi di tensione in ingresso, e più stabile rimane la resistenza. "Ciò significa che abbiamo trovato un modo per progettare tipi di sinapsi artificiali con eccitabilità diversa, "dice Valov.
Sinapsi, le connessioni tra i neuroni, hanno la capacità di trasmettere segnali con vari gradi di intensità quando sono eccitati da una rapida successione di impulsi elettrici. Un effetto di questa attività ripetuta è quello di aumentare la concentrazione di ioni calcio, con il risultato che vengono emessi più neurotrasmettitori. A seconda dell'attività, altri effetti causano cambiamenti strutturali a lungo termine, che influiscono sulla forza della trasmissione per diverse ore, o potenzialmente anche per il resto della vita della persona. Gli elementi memristivi consentono di modificare la forza della trasmissione elettrica in modo simile alle connessioni sinaptiche, applicando una tensione. Nelle celle di metallizzazione elettrochimica (ECM), tra i due elettrodi metallici si sviluppa un filamento metallico, aumentando così la conducibilità. L'applicazione di impulsi di tensione con polarità invertita provoca il restringimento del filamento fino a quando la cella raggiunge il suo stato iniziale di alta resistenza. Credito:Forschungszentrum Jülich/Tobias Schloesser
Specifiche di progettazione per sinapsi artificiali
La capacità del cervello di apprendere e conservare le informazioni può essere in gran parte attribuita al fatto che le connessioni tra i neuroni vengono rafforzate quando vengono utilizzate frequentemente. dispositivi memristivi, di cui esistono diversi tipi come le celle di metallizzazione elettrochimica (ECM) o le celle di memoria a cambiamento di valenza (VCM), comportarsi allo stesso modo. Quando si utilizzano questi componenti, la conduttività aumenta all'aumentare del numero di impulsi di tensione in ingresso. Le modifiche possono anche essere invertite applicando impulsi di tensione di polarità opposta.
I ricercatori JARA hanno condotto i loro esperimenti sistematici su ECM, che consistono in un elettrodo di rame, un elettrodo di platino e uno strato di biossido di silicio tra di loro. Grazie alla collaborazione con i ricercatori Heraeus, gli scienziati JARA hanno avuto accesso a diversi tipi di biossido di silicio:uno con una purezza del 99,999999%, chiamato anche biossido di silicio 8N, e altri contenenti da 100 a 10, 000 ppm (parti per milione) di atomi estranei. Il vetro drogato con precisione utilizzato nei loro esperimenti è stato appositamente sviluppato e prodotto dallo specialista del vetro al quarzo Heraeus Conamic, che detiene anche il brevetto per la procedura. Rame e protoni hanno agito come agenti dopanti mobili, mentre alluminio e gallio sono stati utilizzati come drogaggio non volatile.
Il tempo di commutazione del record conferma la teoria
Sulla base della loro serie di esperimenti, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che i tempi di commutazione dell'ECM cambiano al variare della quantità di atomi di drogaggio. Se lo strato di commutazione è costituito da biossido di silicio 8N, il componente memristivo commuta in soli 1,4 nanosecondi. Ad oggi, il valore più veloce mai misurato per gli ECM è stato di circa 10 nanosecondi. Drogando lo strato di ossido dei componenti fino a 10, 000 ppm di atomi estranei, il tempo di commutazione è stato prolungato nell'intervallo di millisecondi.
"Possiamo anche spiegare teoricamente i nostri risultati. Questo ci sta aiutando a comprendere i processi fisico-chimici su scala nanometrica e ad applicare queste conoscenze nella pratica, " afferma Valov. Sulla base di considerazioni teoriche generalmente applicabili e supportate da risultati sperimentali, è convinto che l'effetto doping/impurità si verifichi e possa essere impiegato in tutti i tipi di elementi memristivi.
