Questa animazione mostra come milioni di cicli di commutazione ad alta tensione possono causare il guasto dei memristori. La commutazione ad alta tensione alla fine crea regioni che sono permanentemente ricche (pozzi blu) o carenti (picchi rossi) di ossigeno e non possono essere ripristinate. Il passaggio a tensioni più basse adatte ai dispositivi commerciali non ha mostrato questo degrado delle prestazioni. Queste osservazioni hanno permesso ai ricercatori di sviluppare condizioni operative e di elaborazione dei materiali che hanno migliorato la resistenza dei memristori di quasi mille volte. Credito:Suhas Kumar
In esperimenti presso due laboratori nazionali del Dipartimento dell'Energia - SLAC National Accelerator Laboratory e Lawrence Berkeley National Laboratory - gli scienziati della Hewlett Packard Enterprise (HPE) hanno confermato sperimentalmente aspetti critici di come un nuovo tipo di dispositivo microelettronico, il memristore, funziona su scala atomica.
Questo risultato è un passo importante nella progettazione di questi dispositivi a stato solido da utilizzare nelle future memorie per computer che operano molto più velocemente, durano più a lungo e consumano meno energia rispetto alla memoria flash di oggi. I risultati sono stati pubblicati a febbraio in Materiale avanzato .
"Abbiamo bisogno di informazioni come questa per poter progettare memristori che avranno successo commerciale, " disse Suhas Kumar, uno scienziato HPE e primo autore del documento tecnico del gruppo.
Il memristore è stato proposto teoricamente nel 1971 come il quarto elemento di base del dispositivo elettrico accanto al resistore, condensatore e induttore. Al suo centro c'è un minuscolo pezzo di un ossido di metallo di transizione inserito tra due elettrodi. L'applicazione di un impulso di tensione positivo o negativo aumenta o diminuisce notevolmente la resistenza elettrica del memristore. Questo comportamento lo rende adatto all'uso come memoria del computer "non volatile" che, come una memoria flash, può mantenere il suo stato senza essere aggiornato con potenza aggiuntiva.
Nell'ultimo decennio, un gruppo HPE guidato dal collega senior R. Stanley Williams ha esplorato i progetti di memristor, materiali e comportamenti in dettaglio. Dal 2009 hanno utilizzato intensi raggi X di sincrotrone per rivelare i movimenti degli atomi nei memristori durante la commutazione. Nonostante i progressi nella comprensione della natura di questo passaggio, i dettagli critici che sarebbero stati importanti nella progettazione di circuiti di successo commerciale sono rimasti controversi. Per esempio, le forze che muovono gli atomi, con conseguente drastico cambiamento di resistenza durante la commutazione, restano in discussione.
Negli ultimi anni, il gruppo ha esaminato memristori realizzati con ossidi di titanio, tantalio e vanadio. Gli esperimenti iniziali hanno rivelato che la commutazione nei dispositivi di ossido di tantalio potrebbe essere controllata più facilmente, quindi è stato scelto per un'ulteriore esplorazione presso due strutture per gli utenti dell'Office of Science del DOE:la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) dello SLAC e la Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab.
Alla SLA, i ricercatori HPE hanno mappato le posizioni degli atomi di ossigeno prima e dopo il passaggio. Per questo, hanno usato un microscopio a raggi X a trasmissione a scansione e un apparato che hanno costruito per controllare con precisione la posizione del loro campione e la tempistica e l'intensità dei raggi X della SLA a 500 elettronvolt, che erano sintonizzati per vedere l'ossigeno.
L'imaging a raggi X dei memristori ha mostrato che la commutazione del loro stato di resistenza spinge gli atomi di ossigeno verso l'esterno da un percorso conduttivo (picco rosso) nelle regioni circostanti (trincea circolare blu) a circa 200 nanometri di distanza. Sullo sfondo c'è una foto di un wafer di silice su cui sono stati creati dozzine di memristori di prova. Quattro elettrodi quadrati e fili sottili collegati a ciascun memristore consentono ai ricercatori di cambiarne lo stato e misurare i cambiamenti di resistenza. Credito:Suhas Kumar
Gli esperimenti hanno rivelato che anche deboli impulsi di tensione creano un sottile percorso conduttivo attraverso il memristore. Durante l'impulso il percorso si riscalda, che crea una forza che allontana gli atomi di ossigeno dal percorso, rendendolo ancora più conduttivo. L'inversione dell'impulso di tensione ripristina il memristore risucchiando alcuni atomi di ossigeno nel percorso di conduzione, aumentando così la resistenza del dispositivo. La resistenza del memristore cambia tra 10 volte e 1 milione di volte, a seconda dei parametri operativi come l'ampiezza dell'impulso di tensione. Questo cambiamento di resistenza è abbastanza drammatico da poter essere sfruttato commercialmente.
Per essere sicuri della loro conclusione, i ricercatori avevano anche bisogno di capire se gli atomi di tantalio si muovevano insieme all'ossigeno durante la commutazione. L'imaging al tantalio richiedeva una maggiore energia, 10, raggi X da 000 elettronvolt, che hanno ottenuto alla Beam Line 6-2 di SSRL. In una sola sessione lì, hanno stabilito che il tantalio è rimasto fermo.
"Questo ha sigillato l'accordo, convincendoci che la nostra ipotesi fosse corretta, ", ha affermato la scienziata HPE Catherine Graves, che aveva lavorato alla SSRL come studente laureato a Stanford. Ha aggiunto che le discussioni con gli esperti SLAC sono state fondamentali per guidare il team HPE verso le tecniche a raggi X che avrebbero consentito loro di vedere il tantalio con precisione.
Kumar ha affermato che l'aspetto più promettente dei risultati dell'ossido di tantalio è stato che gli scienziati non hanno riscontrato alcun degrado nella commutazione di oltre un miliardo di impulsi di tensione di una grandezza adatta per l'uso commerciale. Ha aggiunto che questa conoscenza ha aiutato il suo gruppo a costruire memristori che sono durati quasi un miliardo di cicli di commutazione, miglioramento di circa mille volte.
"Si tratta di una resistenza molto più lunga di quella possibile con i dispositivi di memoria flash di oggi, " Kumar ha detto. "Inoltre, abbiamo anche usato impulsi di tensione molto più alti per accelerare e osservare i guasti dei memristori, che è importante anche per capire come funzionano questi dispositivi. I fallimenti si sono verificati quando gli atomi di ossigeno sono stati spinti così lontano da non tornare alle loro posizioni iniziali".
Oltre i chip di memoria, Kumar afferma che la rapida velocità di commutazione e le dimensioni ridotte dei memristor potrebbero renderli adatti all'uso nei circuiti logici. Ulteriori caratteristiche dei memristor possono anche essere utili nella classe emergente di circuiti di calcolo neuromorfici ispirati al cervello.
"I transistor sono grandi e ingombranti rispetto ai memristori, " ha detto. "I memristori sono anche molto più adatti per creare picchi di tensione simili a neuroni che caratterizzano i circuiti neuromorfici".
