Как сообщила в конце апреля компания HP, сотрудникам ее исследовательского подразделения HP Labs удалось создать четвертый пассивный элемент для построения электрических цепей (до сих пор при их проектировании использовались три базовых элемента — конденсаторы, сопротивления и катушки индуктивности). Статья с описанием математической модели и экспериментального образца была опубликована в номере журнала Nature от 30 апреля.

Теоретическое обоснование существования нового пассивного элемента было сделано еще в 1971 г. профессором университета в Беркли Леоном Чуа, который и придумал ему название — “мемристор” (memristor — производное от memory и resistor), или “сопротивление с памятью”.

Мемристор — это устройство, основное свойство которого связано с изменением сопротивления в зависимости от величины прошедшего через него заряда. При этом новый элемент способен запоминать свое состояние, благодаря чему его можно использовать, скажем, в качестве элемента оперативной памяти компьютера.

Фактически ученые знакомы с эффектом “сопротивления с памятью” уже в течение многих лет, однако доказать его существование на практике оказалось делом непростым, поскольку он становится более заметным только на уровне наноструктур. Таким образом, можно говорить о том, что созданию нового базового элемента схемотехники способствовало наблюдающееся в последние годы бурное развитие нанотехнологий.

Исследователи HP считают, что мемристоры найдут широкое применение в компьютерной индустрии и окажутся особенно полезными при создании компактных мобильных устройств, требующих экономного расхода энергии аккумуляторных батарей.

Мемристоры известны не только в HP Labs

Институт физики твердого тела (ИФТТ) Российской академии наук (РАН), расположенный в подмосковном городе науки Черноголовке, занимается фундаментальными исследованиями в области физики, изучает различные эффекты и разрабатывает принципы их возможной реализации в разного рода приложениях. Его сотрудники, в частности, обнаружили явление так называемого колоссального электросопротивления (КЭС), или резистивных переключений с эффектом памяти, наблюдающееся в гетерогенных переходах на базе перовскитных систем. Именно КЭС-эффект (в настоящее время его изучение российскими специалистами продолжается) лежит в основе функционирования мемристора. Кандидат физико-математических наук Наталья Тулина, старший научный сотрудник ИФТТ, которая проводит исследования в области гетерогенных структур, согласилась ответить на вопросы заместителя главного редактора PC Week/RE Игоря Кондратьева в связи с недавней публикацией специалистов HP Labs в журнале Nature.

PC Week: Насколько открытие мемристора можно назвать революционным?

Наталья Тулина: Открытия мемристора как такового в упомянутой работе, наверное, нет. В ней есть обоснованное предложение, или, если хотите, “озарение” по поводу того, чтобы для его создания использовать наблюдаемый в настоящее время КЭС-эффект в гетерогенных переходах на границе различных соединений окислов переходных металлов (включая высокотемпературные сверхпроводники, легированные манганиты, сегнетоэлектрики, органические соединения и так далее).

PC Week: Занимались ли поисками эффекта мемрезистивности отечественные ученые и каковы их успехи на этом поприще? Среди авторов публикации назван Дмитрий Струков. По-видимому, он — выходец из какого-нибудь российского научного коллектива, который работал над данной проблематикой?

Н. Т.: Исследования в данной области ведутся научными лабораториями в различных странах мира. Насколько мне известно, в нашей стране непосредственно данным эффектом занимаются только в ИФТT. В последней из опубликованных нами работ [Tulina N. A., Borisenko I. Yu. Frequency Dependence of the Resistive Switching Effect in Bi2Sr2CaCu2O8+y /Ag Film Heterocontacts// Physics Letters, 2008, v. A 372, p. 918] можно, например, увидеть, что частотные характеристики исследованного нами гетероконтакта прямо соответствуют модельному описанию мемристора из работы Леона Чуа [Proc. IEEE, 1976, v.64, p. 209].

Однако сейчас у отдельного российского института, в частности нашего, не хватает приборной и технологической базы для изготовления тонкопленочных структур для продолжения активных исследований. Поэтому мы объединили свои усилия со специалистами МИФИ и Института проблем технологии микроэлектроники РАН в Черноголовке и совместно налаживаем изготовление необходимых нам пленочных структур.

Дмитрий Струков действительно наш соотечественник и, видимо, ученик К. К. Лихарева (они соавторы многих работ), талантливого физика из МГУ, занимавшегося в свое время физикой джозефсоновских структур, одноэлектронным туннелированием и теорией сверхпроводниковых электрических цепей, а с началом перестройки уехавшего работать на Запад.

PC Week: Вся предыдущая история создания электронных изделий на базе теории классических электрических и магнитных цепей свидетельствует о том, что “отсутствие” мемристоров никоим образом не сказывалось на качестве и функциональности получаемых устройств. Есть ли реальная необходимость в мемристорах?

Н. Т.: Приведет ли использование мемристоров к улучшению качества и функциональности электронных устройств, скажут в первую очередь теоретики, которые разрабатывают такие устройства. Мемристор как четвертая составляющая в семействе фундаментальных элементов в электрических и магнитных цепях, схемотехнике, безусловно даст толчок к появлению новых модельных предложений для практики. И в этом отношении его польза несомненна.

PC Week: Как вы оцениваете перспективы использования эффекта мемрезистивности в компьютерных и коммуникационных устройствах? Когда, на ваш взгляд, данный эффект можно будет применять для практических нужд?

Н. Т.: Физические эффекты в гетероструктурах я бы не сводила только к мемрезистивности, которая означает нелинейную связь напряжения и заряда, протекающего через устройство. В этом отношении перспективы понятны, дело за исполнителями конкретных приборов, принципиальных ограничений здесь нет.

Однако все исследователи настойчиво предлагают использовать эффект памяти мемристора для создания элементов оперативной памяти. В этом качестве мемристоры можно называть устройствами колосcального электросопротивления — с огромным отношением сопротивления в выключенном состоянии Roff к сопротивлению во включенном состоянии Ron. Именно эти два состояния и определяют эффект памяти устройства. Причем речь идет об энергонезависимой памяти, значительно более миниатюрной, чем всё то, что реализовано сегодня.

Правда, здесь есть много нерешенных вопросов. Прежде всего не до конца ясен механизм возникновения эффекта. Либо за него ответственен моттовский переход металл — изолятор, либо исключительно диффузия легирующих атомов; но возможен и более сложный вариант. Большинство исследователей склоняется к мнению, что зарядовые эффекты (движение вакансий, или дырок, кислородных ионов) являются здесь определяющими. Если дело обстоит действительно так, то быстродействие устройств, основанных на эффекте памяти, будет ограничено. С другой стороны, в разработке шведских исследователей применение буферного слоя из окисла СеO2 между пленками нормального металла и легированного манганита позволило значительно улучшить характеристики перехода.

Так что можно констатировать, что вопрос о применимости мемристора в качестве элемента памяти пока находится на этапе исследований, хотя по увеличивающемуся количеству публикаций можно предполагать, что рамки применимости эффекта в устройствах памяти будут понятны уже в ближайшее время. А дальше останется “просто взять и сделать”.

PC Week: А сможет ли отечественная промышленность наладить производство мемристоров?

Н. Т.: После того как лабораторные разработки будут доведены до макетного уровня, дальнейшее всецело будет зависеть от воли государственных мужей и руководителей промышленности. В принципе страна, освоившая космос, может сделать всё.

PC Week: Спасибо за беседу.