材料純度可能是憶阻器進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵

全的科學(xué)家都在致力于憶阻設(shè)備的研究，這些設(shè)備能夠以極低的功率運(yùn)行，并且行為類似于大腦中的神經(jīng)元。憶阻器，全稱記憶電阻器(Memristor)。來自JülichAachen研究聯(lián)盟（JARA）和德國(guó)技術(shù)集團(tuán)Heraeus的研究人員現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)如何系統(tǒng)地控制這些元素的功能行為，而其中材料的純度可能起著至關(guān)重要的作用。

人們發(fā)現(xiàn)材料組成上的*小差異至關(guān)重要：差異如此之小，以至于直到現(xiàn)在*家們都沒有注意到它們。研究人員的設(shè)計(jì)方向可以幫助提高基于憶阻技術(shù)的應(yīng)用的多樣性，效率，選擇性和可靠性，例如，節(jié)能，非易失性存儲(chǔ)設(shè)備或神經(jīng)啟發(fā)計(jì)算機(jī)。

憶阻器被認(rèn)為是計(jì)算機(jī)芯片中常規(guī)納米電子元件的極有前途的替代品。由于功能的優(yōu)勢(shì)，各地的許多公司和研究機(jī)構(gòu)都迫切地追求其發(fā)展。日本NEC公司早在2017年就已經(jīng)在太空衛(wèi)星中安裝了*一批原型機(jī)?；萜眨⑻貭?，IBM和三星等許多其他公司都在努力將基于憶阻元素的創(chuàng)新型計(jì)算機(jī)和存儲(chǔ)設(shè)備推向市場(chǎng)。

從根本上說，憶阻器只是“帶記憶的電阻器”，其中高電阻（超高阻值貼片電阻）可以切換為低電阻，然后再切換回低電阻（超低阻值貼片電阻）。原則上，這意味著該裝置是適應(yīng)性的，類似于生物神經(jīng)系統(tǒng)中的突觸。PeterGrünberg研究所（PGI-7）的Ilia Valov博士說：“憶阻元件被認(rèn)為是模擬在大腦上的神經(jīng)啟發(fā)計(jì)算機(jī)的理想候選者，在深度學(xué)習(xí)和人工智能方面引起了極大的興趣。”在ForschungszentrumJülich。

在新一期的開放獲取期刊《  科學(xué)進(jìn)展》中， 他和他的團(tuán)隊(duì)描述了如何有選擇地控制憶阻元件的開關(guān)和神經(jīng)形態(tài)行為。根據(jù)他們的發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵因素是開關(guān)氧化物層的純度。Valov說：“取決于是否使用純度為99.999999％的材料，以及是將一個(gè)外來原子引入一千萬個(gè)純?cè)舆€是一百個(gè)原子，憶阻元素的性質(zhì)會(huì)有很大不同。”

迄今為止，這種效果一直被*家忽略。它可以非常專門用于設(shè)計(jì)憶阻系統(tǒng)，其方式類似于在信息技術(shù)中摻雜半導(dǎo)體。“外來原子的引入使我們能夠控制薄氧化物層的溶解度和傳輸性能，”賀利氏技術(shù)集團(tuán)的克里斯蒂安·諾伊曼博士解釋說。自從2015年構(gòu)想出初的想法以來，他就一直在為該項(xiàng)目貢獻(xiàn)材料專業(yè)知識(shí)。

Valov表示：“近年來，憶阻器件的開發(fā)和使用取得了顯著進(jìn)展，但是，這一進(jìn)展通常僅憑經(jīng)驗(yàn)就可以實(shí)現(xiàn)。” 利用他的團(tuán)隊(duì)獲得的見識(shí)，制造商現(xiàn)在可以有條不紊地開發(fā)憶阻元件，以選擇所需的功能。摻雜濃度越高，隨著輸入電壓脈沖數(shù)量的增加和減少，元件的電阻變化就越慢，并且電阻保持越穩(wěn)定。“這意味著我們找到了一種設(shè)計(jì)具有不同興奮性的人工突觸類型的方法，” Valov解釋說。

人工突觸的設(shè)計(jì)規(guī)范

大腦學(xué)習(xí)和保留信息的能力在很大程度上可以歸因于這樣的事實(shí)，即經(jīng)常使用神經(jīng)元之間的連接會(huì)增強(qiáng)。憶阻器件具有不同類型，例如電化學(xué)金屬化單元（ECM）或價(jià)變化存儲(chǔ)單元（VCM）。當(dāng)使用這些組件時(shí)，電導(dǎo)率隨輸入電壓脈沖數(shù)量的增加而增加。這些變化也可以通過施加相反極性的電壓脈沖來逆轉(zhuǎn)。

JARA研究人員在ECM上進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，該ECM由銅電極，鉑電極和它們之間的二氧化硅層組成。由于與賀利氏研究人員的合作，JARA科學(xué)家獲得了不同類型的二氧化硅：一種純度為99.999999％（也稱為8N二氧化硅），另一種則含有100至10,000 ppm（百萬分之幾）的外來原子。實(shí)驗(yàn)中使用的精確摻雜玻璃是由石英玻璃*家Heraeus Conamic專門開發(fā)和制造的，該公司還擁有該程序的專利。銅和質(zhì)子用作移動(dòng)摻雜劑，而鋁和鎵用作非揮發(fā)性摻雜劑。

記錄切換時(shí)間證實(shí)了理論

基于他們的一系列實(shí)驗(yàn)，研究人員能夠證明ECM的開關(guān)時(shí)間隨著摻雜原子數(shù)量的變化而變化。如果切換層由8N二氧化硅制成，則憶阻組件僅需1.4納秒即可切換。迄今為止，ECM測(cè)得的較快值約為10納秒。通過用高達(dá)10,000 ppm的外來原子摻雜組分的氧化物層，將切換時(shí)間延長(zhǎng)到毫秒范圍。“我們還可以從理論上解釋我們的結(jié)果。這有助于我們了解納米級(jí)的物理化學(xué)過程，并將這些知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐中。” Valov說?；谄毡檫m用的理論考慮，并得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的支持，其中一些文獻(xiàn)中也有記錄，