Учёные МФТИ увеличили ресурс памяти на основе сегнетоэлектриков до рекордных 100 миллионов циклов перезаписи — это в тысячи раз превышает ресурс современной флеш‑памяти. Открытие открывает путь к устройствам нового поколения для кардиостимуляторов, нейроинтерфейсов и энергоэффективных дата‑центров для ИИ.
Результаты исследований опубликованы в Journal of Alloys and Compounds, Physical Review Applied и Applied Physics Letters.Сегнетоэлектрики сохраняют поляризацию после снятия внешнего поля, поэтому информация в таких ячейках остаётся без питания. Плёнки толщиной в несколько нанометров подходят для миниатюрных чипов; они могут иметь не только два состояния («0» и «1»), но и множество промежуточных, что позволяет создавать транзисторы, имитирующие работу синапсов.
В текущем цикле работ исследователи научились прогнозировать поведение памяти на основе перспективного сегнетоэлектрика — оксида гафния‑циркония. Это позволило найти баланс между скоростью, надёжностью 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
Главный ограничивающий фактор при создании сверхтонких плёнок — токи утечки: чем тоньше слой, тем сильнее просачивается ток, что ухудшает энергоэффективность и вносит помехи в сигнал.
Учёные изучили свойства плёнок оксида гафния‑циркония толщиной от 5 до 10 нанометров.Оказалось, токи идут не через кристаллические зерна, а по их границам. При уменьшении толщины зерна мельчают, суммарная длина границ растёт, и эти границы действуют 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.
Снизить эффект можно, контролируя размер зерен, оптимизируя режим отжига, подбирая материалы электродов и вводя специальные затравочные слои.
Создали модель, предсказывающую потерю данных на годы вперёд
Для уменьшения энергопотребления инженеры стремятся снижать рабочее напряжение, но тогда плёнка переходит в полидоменное состояние: одни области переключаются, другие — нет. Длительность сохранения информации в таком режиме оставалась неясной.
Исследователи изготовили миниатюрные конденсаторы, где плёнка заключена между электродами из вольфрама и нитрида титана. Серией импульсов от 0,95 до 3,5 В они имитировали запись, хранение и считывание, регистрируя токовый отклик. На этих данных построили математическую модель, прогнозирующую поведение памяти на годы вперёд.
Анализ показал: потеря данных связана с импринтом — накоплением заряда на дефектах и границах слоёв. Этот заряд создаёт внутреннее поле, которое со временем меняет свойства ячеек, и напряжение, необходимое для чтения, становится выше рабочего.
«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 надёжной», — рассказала Елизавета Калика, инженер‑исследователь лаборатории перспективных концепций хранения данных МФТИ.
Модель поможет инженерам на этапе проектирования подобрать оптимальные режимы работы чипа и оценить срок службы устройства.
Нашли баланс между ресурсом и сохранностью данных
Чтобы увеличить плотность хранения и снизить энергопотребление, стараются делать плёнки тоньше. Ранее уменьшение толщины связывали с ухудшением сегнетоэлектрических свойств, но новое исследование показало более сложную картину.
Эксперимент включал серию конденсаторов с толщиной рабочего слоя от 5 до 10 нанометров. Самая тонкая плёнка (5 нм) показала чуть худшую удерживаемость заряда, но, вопреки ожиданиям, выдержала более 100 миллионов циклов перезаписи. Плёнки 6 и 8 нм выходили из строя после 1–10 миллионов циклов. Пленка 10 нм лучше держала данные, но имела меньший ресурс перезаписи.
«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.
По итогам работы учёные МФТИ предложили практическую дорожную карту: методы борьбы с токами утечки, формулу для прогноза срока хранения данных и рекомендации по выбору толщины плёнки в зависимости от задачи. Это создаёт основу для элементов памяти, пригодных как для имплантов, так и для высокоскоростных энергоэффективных чипов для ИИ.
Информация предоставлена пресс‑службой МФТИ
Источник фото: ru.123rf.com
МФТИ добился 100 млн циклов: сегнетоэлектрическая память стала рекордно выносливой • Опубликовано на FiNE NEWS
Свежие комментарии