Ученые МФТИ продлили память на основе сегнетоэлектриков до рекордных 100 миллионов циклов перезаписи. Это в тысячи раз превышает ресурс современной флеш-памяти. Открытие позволяет создавать устройства памяти нового поколения для кардиостимуляторов, нейроинтерфейсов и энергоэффективных ИИ дата-центров. Результаты исследований опубликованы в журналах Journal of Alloys and Compounds, Physical Review Applied, Applied Physics Letters.
Мгновенная загрузка, энергоэффективность и почти бесконечный ресурс перезаписи – всё это способна обеспечить память на основе сегнетоэлектриков. Эти материалы поддерживают поляризацию после снятия внешнего электрического поля, что позволяет сохранять всю информацию даже без доступа к сети питания. Кроме того, сегнетоэлектрики могут работать в плёнках толщиной всего в несколько нанометров, которые удобно использовать в миниатюрных чипах. Такие материалы могут находиться не только в двух состояниях («0» и «1»), но и во множестве промежуточных. Поэтому на их основе можно создавать транзисторы, которые имитируют работу синапсов в человеческом мозге.
В новом цикле работ учёные МФТИ научились прогнозировать поведение памяти на основе перспективного сегнетоэлектрика – оксида гафния-циркония. В результате им удалось найти идеальный баланс между её скоростью, надежностью и долговечностью.
«Идеальная память — это поиск баланса. Где-то нужна долгая жизнь батареи, а где-то — миллиарды циклов быстрой перезаписи. Наша работа даёт инженерам карту для навигации в этом пространстве выбора», — рассказала Анастасия Чуприк, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией перспективных концепций хранения данных МФТИ.
Нашли причину токов утечки и способ ею управлять
Главное ограничение, с которым сталкиваются инженеры, когда пытаются создать сверхтонкие плёнки памяти, — токи утечки. Чем меньше её толщина, тем больше ток начинает просачиваться через плёнку. Это сводит на нет энергоэффективность устройства и вносит помехи в сигнал.
Чтобы понять, как и почему это происходит, учёные детально изучили структуру и свойства плёнок перспективного сегнетоэлектрика оксида гафния-циркония разной толщины – от 5 до 10 нанометров.
Учёные МФТИ выяснили, что ток течёт не через сами кристаллы, а по границам между ними. При уменьшении толщины плёнки кристаллические зёрна становятся мельче, а суммарная длина их границ растёт. Эти границы работают как ловушки для электронов.
«Оказалось, что главные виновники роста токов утечки – это границы между кристаллическими зёрнами внутри пленки. С уменьшением толщины плёнки эти зёрна становятся меньше, а суммарная длина их границ увеличивается. Эти границы являются естественными дефектами и служат ловушками для электронов. Чем больше таких ловушек, тем выше ток утечки», — пояснил Илья Савичев, младший научный сотрудник лаборатории перспективных концепций хранения данных МФТИ.
Управлять этим эффектом можно, контролируя размер кристаллических зёрен, оптимизируя режим отжига, подбирая подходящие материалы электродов и специальные затравочные слои.
Создали модель, предсказывающую потерю данных на годы вперед
Чтобы продлить жизнь микрочипа, инженеры стремятся понизить рабочее напряжение памяти. Это уменьшает энергопотребление и нагрев, но тогда плёнка переключается лишь частично, и она оказывается в так называемом «полидоменном» состоянии, где одни области уже переключились, а другие – ещё нет. До сих пор было неясно, как долго данные могут сохраняться в таком режиме.
Учёные МФТИ изготовили миниатюрные конденсаторы, где плёнка сегнетоэлектрика заключена между электродами из вольфрама и нитрида титана. С помощью серии импульсов напряжением от 0,95 до 3,5 Вольт имитировали запись, хранение, считывание данных и регистрировали токовый отклик в разные моменты времени. На основе этих данных физики построили математическую модель, предсказывающую поведение памяти на годы вперед.
Анализ показал: данные теряются из-за импринта – «впечатывания» записанной информации в структуру материала. Со временем на дефектах структуры и границах слоёв накапливается заряд. Он создаёт внутри плёнки собственное электрическое поле, которое постепенно меняет свойства ячеек. В итоге напряжение, необходимое для считывания, становится выше рабочего — и устройство перестаёт «понимать», что записано.
«Мы обнаружили, что из-за импринта в плёнках возникают два конкурирующих процесса, которые ведут к потере информации. Одни домены со временем становятся "недоступными" для считывания, а другие и вовсе переключаются обратно во время самого считывания. Наша модель позволяет учесть эти эффекты и найти идеальное напряжение, при котором память будет энергоэффективной и надежной», — рассказала Елизавета Калика, инженер-исследователь лаборатории перспективных концепций хранения данных МФТИ.
Новая модель поможет инженерам ещё на этапе проектирования подобрать оптимальные режимы работы чипа под конкретную задачу и точно знать, сколько лет прослужит устройство.
Нашли идеальный баланс между ресурсом и сохранностью данных
Чтобы уместить больше информации на кристалле и снизить энергопотребление, инженеры пытаются сделать плёнки как можно тоньше. Предыдущие данные показали, что уменьшение толщины неизбежно ведёт к деградации сегнетоэлектрических свойств.
В новом исследовании учёные получили неожиданный результат, изучив зависимость между толщиной сегнетоэлектрической плёнки, ресурсом циклов записи-перезаписи и сохранностью данных. Для эксперимента изготовили серию конденсаторов с толщиной рабочего слоя от 5 до 10 нанометров.
Самая тонкая плёнка (5 нанометров) ожидаемо показала чуть худшую способность держать заряд, но вопреки всем прогнозам выдержала более 100 миллионов циклов перезаписи. Для сравнения, плёнки толщиной 6 и 8 нанометров выходили из строя уже после 1–10 миллионов циклов. А самая толстая пленка (10 нанометров) продемонстрировала наилучшую способность удерживать данные долгое время, хотя ее ресурс перезаписи оказался невелик.
«Мы выявили четкое правило: чем "лучше" сегнетоэлектрик, тем быстрее он "стареет" под действием собственного поля. Пользуясь этим правилом, память на основе сегнетоэлектриков можно адаптировать под свои задачи. Например, для кардиостимуляторов важно надёжное хранение данных долгое время, нужно выбрать плёнки большей толщины. А вот для ускорителей ИИ и систем обработки видеопотоков, где память используется как рабочая, необходимы миллиарды циклов быстрой перезаписи. Здесь выигрывает ультратонкий слой», – пояснила Анастасия Чуприк, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией перспективных концепций хранения данных МФТИ.
Таким образом, учёные МФТИ создали дорожную карту для инженеров, проектирующих устройства памяти на основе сегнетоэлектриков. Они объяснили, как бороться с токами утечки, дали формулу для прогнозирования срока хранения данных и указали на фундаментальный и управляемый баланс между поляризацией и ресурсом.
Эта работа закладывает основу для создания элементов памяти нового поколения, которые найдут применение повсеместно: от сверхнадёжных имплантов до высокоскоростных и энергоэффективных чипов для систем искусственного интеллекта.
Информация предоставлена пресс-службой МФТИ
Источник фото: ru.123rf.com
