Учёные МФТИ разработали сегнетоэлектрическую память, которая выдерживает до 100 миллионов циклов перезаписи — это в тысячи раз больше, чем у современной флеш-памяти. Данные не теряются при отключении питания, а энергии потребляется минимум.
Сегнетоэлектрики сохраняют информацию даже без питания — за счёт остаточной поляризации. Работают они в плёнках толщиной в несколько нанометров, что отлично подходит для миниатюрных чипов. И есть ещё один важный плюс: такие материалы могут находиться не только в двух состояниях («0» и «1»), но и в промежуточных. Это позволяет создавать транзисторы, похожие на синапсы человеческого мозга. Учёные МФТИ работали с оксидом гафния-циркония. Они научились прогнозировать поведение памяти и нашли баланс между скоростью, надёжностью и долговечностью.
Главная проблема сверхтонких плёнок — токи утечки. Чем тоньше слой, тем больше тока просачивается сквозь него, что убивает энергоэффективность и создаёт помехи. Исследователи выяснили: ток течёт не через сами кристаллы, а по границам между ними. При уменьшении толщины кристаллические зёрна становятся мельче, а общая длина их границ растёт. Эти границы работают как ловушки для электронов. Управлять эффектом можно: контролировать размер зёрен, режим отжига, подбирать материалы электродов и специальные затравочные слои.
Чтобы продлить жизнь чипа, инженеры снижают рабочее напряжение. Это уменьшает нагрев и энергопотребление, но плёнка переключается лишь частично: одни области уже переключились, другие — ещё нет. Как долго в таком режиме сохраняются данные? Учёные МФТИ сделали миниатюрные конденсаторы — плёнку сегнетоэлектрика поместили между электродами из вольфрама и нитрида титана. С помощью импульсов от 0,95 до 3,5 вольт имитировали запись, хранение и считывание. На основе данных построили математическую модель, которая предсказывает поведение памяти на годы вперёд. Оказалось, данные теряются из-за «импринта» — «впечатывания» информации в структуру материала. Со временем на дефектах и границах слоёв накапливается заряд, создающий собственное электрическое поле. Оно меняет свойства ячеек: напряжение для считывания становится выше рабочего, и устройство перестаёт «понимать», что записано. Модель помогает этого избежать.
В новом эксперименте учёные изготовили конденсаторы с толщиной рабочего слоя от 5 до 10 нанометров. Самая тонкая плёнка (5 нм) чуть хуже держит заряд, зато выдерживает более 100 миллионов циклов перезаписи. Плёнки 6 и 8 нм выходят из строя уже после 1–10 миллионов циклов. А самая толстая (10 нм) лучше всех хранит данные долгое время, но ресурс перезаписи у неё невелик. Правило простое: чем лучше сегнетоэлектрик, тем быстрее он стареет под действием собственного поля, поясняют в МФТИ.
Пользуясь этим правилом, память можно адаптировать под конкретную задачу. Кардиостимуляторам нужно надёжное и долгое хранение — выбираем более толстые плёнки. А ускорителям ИИ и системам обработки видео нужны миллиарды циклов быстрой перезаписи — здесь выигрывает ультратонкий слой.
Эта работа закладывает основу для элементов памяти нового поколения — от сверхнадёжных имплантов до энергоэффективных чипов для систем искусственного интеллекта.
Подписывайтесь на Телеграм «Сделано у нас» тут, а на сообщество на Пикабу можно подписаться здесь
Также у нас теперь есть канал в МАХ