Уникальное открытие команды научных сотрудников из Новосибирского государственного университета (НГУ) обещает грандиозные перспективы для всей мировой электроники. Им впервые удалось объединить ключевые свойства оксида кремния и оксида германия, создав принципиально новый материал на их основе. Результаты масштабных исследований уже указывают: теперь возможно создавать энергоэффективные, быстрые и предельно долговечные электрохимические элементы памяти, которые значительно опережают современные аналоги типа флеш-памяти.
Прорыв российского коллектива: материал с памятью и высоким ресурсом
Исследователи Аналитического и технологического исследовательского центра «Высокие технологии и наноструктурированные материалы», функционирующего при физическом факультете НГУ, провели полномасштабные эксперименты по анализу опто- и электро-свойств материала на базе соединения оксида кремния с оксидом германия. Это позволило получить сплав, гармонично сочетающий эксплуатационную выносливость и выдающуюся энергоэффективность, а также проявляющий уникальный эффект памяти — мемристорность.
Команда ученых уже несколько лет последовательно исследует германо-силикатные стёкла и первая в мире обнаружила в них свойства, благоприятные для новых поколений памяти. Доктор физико-математических наук, профессор и ведущий научный сотрудник Владимир Володин отмечает, что ранее свойства переноса заряда изучались только в чистых оксидах кремния или германия, но именно их комбинация позволила получить качественно иной результат.
Важной особенностью оксида кремния является высокая структурная стабильность, что обеспечивает долговременное функционирование; оксид германия отличается низкой энергией связи, формируя энергосберегающую составляющую. Совместное включение этих характеристик позволило создать пленки — германо-силикатные стёкла — обладающие эффектом памяти, превосходящим традиционные электронные среды хранения.
Путь к инновационным элементам памяти: фильмы тонких пленок и уникальные методы диагностики
В передовом исследовании научные сотрудники, среди которых аспирант Иван Юшков, сумели синтезировать тонкие пленки с тщательно подобранными пропорциями оксидов кремния и германия. Были изготовлены структуры МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) с рекордно тонким слоем нового материала, что и позволило впервые достигнуть столь выдающихся характеристик.
Моделирование и апробация свойств проводились в широком спектре рабочих температур (от комнатных до 102°C) с применением восьми признанных во всем мире математических моделей проводимости. Наибольшая реалистичность была отмечена при использовании модели «тока, ограниченного пространственным зарядом» (ТОПЗ), позволившей делать точные теоретические прогнозы по сути без необходимости создавать макеты наноструктур.
«ТОПЗ предоставляет нам уникальную возможность проектировать параметры будущих мемристоров заранее, и точно определять режимы напряжения, необходимые для надежного управления памятью на основе германо-силикатных стекол. Исходя из модели, предсказываем и уровень необходимых токов в каждом конкретном варианте структуры», — комментирует Иван Юшков.
Технологический предел классической флеш-памяти: время перемен
Рынок электронных носителей хранения информации достиг технологического потолка: количество циклов перезаписи, максимальный срок эксплуатации и предельная плотность записи практически исчерпали свои возможности при классической архитектуре флеш-памяти. Многочисленные попытки повышения этих характеристик в рамках традиционных технологий уже не дают ощутимого прироста.
В условиях этого технологического вызова российское открытие приобретает особое значение. Новое поколение памяти на основе мемристоров обещает многократное увеличение числа циклов перезаписи, более быстрые процессы записи и стирания информации и значительно более продолжительный срок службы электронных компонентов.
Мемристоры: скорость и долговечность нового уровня
Исследования показывают: цикл записи и стирания в мемристоре происходит в тысячи, а в ряде случаев — в миллионы раз быстрее, чем у аналогичной флеш-памяти. Если традиционная флеш-память оперирует временами порядка микросекунд, то мемристоры способны осуществлять операции в течение наносекунд или даже пикосекунд.
По мере совершенствования технологий мемристоров даже самые современные электронные устройства смогут работать с еще более высокой скоростью, при этом расход энергии останется минимальным, что критически важно для мобильных, промышленного и специализированного оборудования.
Кроме того, мемристорные структуры на базе германия и кремния обладают улучшенной стабильностью к перепадам температуры и внешним воздействиям, что повышает надежность будущих электронных носителей данных.
Инновации НГУ: вклад в мировое будущее памяти
Команда Володина и Юшкова наглядно продемонстрировала, каким образом фундаментальная наука переходит на новый уровень инновационной реализации. Полученные данные и технологии открывают невиданные ранее возможности для создания качественно новых решений хранения данных — как для устройств массового спроса (например, смартфонов и флеш-накопителей), так и для сложнейших вычислительных систем.
С помощью теоретических моделей, калибруемых с учетом свойств германо-силикатных стекол и тонкопленочных структур, коллектив ученых НГУ уже определяет оптимальные рабочие параметры будущих устройств нового поколения. Этот шаг позволит существенно ускорить процесс промышленного внедрения мемристоров и снизить затраты на разработку технологий, меняющих мир.
Именно такие разработки закладывают фундамент для быстрой, надежной и энергоэффективной электроники завтрашнего дня, подчеркивают ведущие представители НГУ. Российская наука уверенно и динамично формирует лицо индустрии памяти будущего!
