Los científicos de todo el mundo están trabajando intensamente en dispositivos de memoria, que son capaces de funcionar con una potencia extremadamente baja y se comportan de manera similar a las neuronas en el cerebro. Investigadores de la Alianza de Investigación de Jülich Aachen JARA y el grupo tecnológico alemán Heraeus ahora han descubierto cómocontrolar sistemáticamente el comportamiento funcional de estos elementos. Las diferencias más pequeñas en la composición del material son cruciales: diferencias tan pequeñas que hasta ahora los expertos no las habían notado. Las instrucciones de diseño de los investigadores podrían ayudar a aumentar la variedad, la eficiencia, la selectividad y la confiabilidad paraaplicaciones basadas en la tecnología memristive, por ejemplo, para dispositivos de almacenamiento no volátiles eficientes en energía o computadoras con inspiración neuronal.
Los Memristors se consideran una alternativa muy prometedora a los elementos nanoelectrónicos convencionales en chips de computadora. Debido a las funcionalidades ventajosas, muchas empresas e instituciones de investigación de todo el mundo están llevando a cabo su desarrollo. La empresa japonesa NEC ya instaló los primeros prototipos en el espaciosatélites en 2017. Muchas otras compañías líderes como Hewlett Packard, Intel, IBM y Samsung están trabajando para llevar al mercado tipos innovadores de computadoras y dispositivos de almacenamiento basados en elementos de memoria.
Fundamentalmente, los memristors son simplemente "resistencias con memoria", en las cuales la alta resistencia se puede cambiar a baja resistencia y viceversa. Esto significa, en principio, que los dispositivos son adaptativos, similares a una sinapsis en un sistema nervioso biológico ". Elementos memristivosse consideran candidatos ideales para las computadoras inspiradas en la neurología modeladas en el cerebro, que están atrayendo un gran interés en relación con el aprendizaje profundo y la inteligencia artificial ", dice la Dra. Ilia Valov del Instituto Peter Grünberg PGI-7 en Forschungszentrum Jülich.
en el último número de la revista de acceso abierto Avances científicos él y su equipo describen cómo se puede controlar selectivamente el cambio y el comportamiento neuromórfico de los elementos memristivos. Según sus hallazgos, el factor crucial es la pureza de la capa de óxido de cambio ". Dependiendo de si utiliza un material que es 99.999999%puro, y si introduce un átomo extraño en diez millones de átomos de material puro o en cien átomos, las propiedades de los elementos memristivos varían sustancialmente ", dice Valov.
Hasta ahora, los expertos habían pasado por alto este efecto. Se puede usar de manera muy específica para diseñar sistemas de memoria, de manera similar a los semiconductores de dopaje en la tecnología de la información. "La introducción de átomos extraños nos permite controlar la solubilidad y las propiedades de transporte delas capas delgadas de óxido ", explica el Dr. Christian Neumann del grupo de tecnología Heraeus. Ha estado aportando su experiencia en materiales al proyecto desde que se concibió la idea inicial en 2015.
"En los últimos años ha habido un progreso notable en el desarrollo y uso de dispositivos de memoria, sin embargo, ese progreso a menudo se ha logrado sobre una base puramente empírica", según Valov. Utilizando las ideas que su equipo ha obtenido, los fabricantes ahora podríandesarrolle metódicamente elementos memristivos seleccionando las funciones que necesitan. Cuanto mayor sea la concentración de dopaje, más lenta será la resistencia de los elementos a medida que el número de pulsos de voltaje entrantes aumente y disminuya, y más estable será la resistencia ". Esto significa que hemos encontradouna forma de diseñar tipos de sinapsis artificiales con diferente excitabilidad ", explica Valov.
Especificación de diseño para sinapsis artificiales
La capacidad del cerebro para aprender y retener información puede atribuirse en gran medida al hecho de que las conexiones entre las neuronas se fortalecen cuando se usan con frecuencia. Dispositivos de memoria, de los cuales hay diferentes tipos, como las células de metalización electroquímica ECM o el cambio de valencialas células de memoria VCM se comportan de manera similar. Cuando se usan estos componentes, la conductividad aumenta a medida que aumenta el número de pulsos de voltaje entrantes. Los cambios también se pueden revertir aplicando pulsos de voltaje de la polaridad opuesta.
Los investigadores de JARA llevaron a cabo sus experimentos sistemáticos en ECM, que consisten en un electrodo de cobre, un electrodo de platino y una capa de dióxido de silicio entre ellos. Gracias a la cooperación con los investigadores de Heraeus, los científicos de JARA tuvieron acceso a diferentes tipos de siliciodióxido: uno con una pureza del 99.999999%, también llamado dióxido de silicio 8N, y otros que contienen de 100 a 10,000 ppm partes por millón de átomos extraños. El vidrio dopado con precisión utilizado en sus experimentos fue especialmente desarrollado y fabricado por vidrio de cuarzoespecialista Heraeus Conamic, que también posee la patente para el procedimiento. El cobre y los protones actuaron como agentes de dopaje móviles, mientras que el aluminio y el galio se usaron como dopaje no volátil.
Tiempo de cambio de registro confirma la teoría
Con base en su serie de experimentos, los investigadores pudieron demostrar que los tiempos de cambio de los ECM cambian a medida que cambia la cantidad de átomos de dopaje. Si la capa de cambio está hecha de dióxido de silicio 8N, el componente memristivo cambia en solo 1.4 nanosegundos.Hasta la fecha, el valor más rápido jamás medido para los ECM había sido de alrededor de 10 nanosegundos. Al dopar la capa de óxido de los componentes con hasta 10,000 ppm de átomos extraños, el tiempo de cambio se prolongó en el rango de milisegundos ". También podemos explicar teóricamentenuestros resultados. Esto nos está ayudando a comprender los procesos fisicoquímicos en la nanoescala y aplicar este conocimiento en la práctica ", dice Valov. Basado en consideraciones teóricas generalmente aplicables, respaldadas por resultados experimentales, algunos también documentados en la literatura, está convencidoque el efecto de dopaje / impureza ocurre y puede emplearse en todo tipo de elementos de memoria.
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Materiales proporcionado por Forschungszentrum Juelich . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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