В компьютерной индустрии уже долгое время не происходит никаких фундаментальных перемен, а все усовершенствования, связанные, как правило, с внедрением более прогрессивных чипов, носят линейный характер. При этом почва для революции готова: созданы прототипы постоянной энергонезависимой памяти большой емкости, которая сочетает функции оперативной памяти, отвечающей за быстродействие процессора во время работы, и длительного хранения данных. Эта инновация нарушает один из базовых принципов, предложенных корпорацией IBM еще в середине 60-х годов прошлого века, — использование двух раздельных уровней хранилища: энергозависимой оперативной памяти и жесткого диска. Недостатки такой системы хорошо известны: «оперативка», манипулирующая электрическим зарядом, теряет все данные при выключении компьютера, а энергонезависимая память, хоть и сохраняет информацию без питания, работает медленно и неэкономично, что не позволяет задействовать ее для вычислительных процессов. Да и в целом схема «на двух китах» по современным меркам, ориентированным на развитие искусственного интеллекта, считается непроизводительной и энергозатратной, поскольку данные там постоянно перемещаются между разными модулями.
В основе новой памяти — твердотельного накопителя resistive random-access memory (RRAM, ReRAM) — лежит структура металл — диэлектрик — металл; ключевым рычагом для нее является не заряд, а свойство тонкого слоя диэлектрика обратимо менять сопротивление при подаче импульса напряжения посредством образования и рассасывания в нем проводящего канала (филамента). Причем, изменив уровень напряжения, проводящий канал можно разрушить, а затем создать снова. В итоге получается мемристор, из которого и собираются матрицы памяти.
Такой подход позволит реализовать принцип «два в одном», что сделает компьютер не только быстрее, но и энергоэффективнее. Кроме того, полностью изменится привычная архитектура электроники: из нее будут удалены сразу несколько звеньев — вспомогательные компоненты (шины и контроллеры) и сам жесткий диск. Это даст возможность создавать более компактные и легкие компьютеры.
Проекты по разработке новой памяти ведут американские корпорации HP, SanDisk, GlobalFoundries, корейский гигант Samsung и китайский SMIC, израильская полупроводниковая компания Weebit Nano, множество стартапов, в том числе просевший под санкциями российский «Крокус Наноэлектроника». Коммерчески доступные микросхемы с мемристорными матрицами для устройств интернета вещей уже выпускают японские Panasonic и Fujitsu. Однако емкость вышедших на рынок продуктов пока невысока (не более 4 Мбит) из-за нерешенных нюансов с операцией формовки — первого включения мемристора, как правило с подачей более высокого напряжения, чем требуется при последующих переключениях. При формовке как раз образуется проводящий канал, который приводит мемристор в рабочее состояние. Однако при увеличении емкости матрицы вероятность выхода из строя всей микросхемы во время формовки повышается.
Компании — разработчики энергонезависимой памяти нового поколения сейчас заняты поиском оптимального сочетания материалов для активной среды мемристоров — такого варианта компоновки различных диэлектрических тонкопленочных слоев и металлических электродов, который позволил бы обеспечить требуемые показатели стабильности напряжений и токов при переключении элементов памяти, сохранение работоспособности матриц после миллионов и миллиардов циклов переключений, отсутствие формовки, возможность хранения информации более десяти лет при температуре не ниже 85 °С и др.
Недавно Институт физики полупроводников (ИФП) им. А. В. Ржанова Сибирского отделения РАН заявил о локальном прорыве в этой области — создании мемристора для памяти ReRAM на основе относительно простой и доступной для промышленной реализации технологии. Базовыми материалами стали обедненные кислородом оксиды металлов — тантала, циркония и гафния. Эти соединения уже используются в кремниевой электронике, поэтому, как уверяют разработчики, больших затрат при их внедрении не потребуется. Для синтеза образцов применялся метод ионно-лучевого распыления-осаждения, который позволяет получать тонкие пленки сравнительно легко и не прибегая к формовке. Состав пленок (в данном случае соотношение атомов кислорода и атомов металла) влияет на их проводимость, а значит, и на характеристики резистивной памяти.
«Мы выявили зависимость показателя преломления от состава пленок для оксидов гафния и циркония. Зависимость линейна, и у нее есть важное практическое значение: она позволяет определять состав синтезированных слоев оптическими методами — без сложной рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии», — комментирует одна из создателей отечественного мемристора, младший научный сотрудник лаборатории физической химии поверхности полупроводников и систем полупроводник — диэлектрик ИФП СО РАН Алина Герасимова.
Как поясняют ученые, эта бесформовочная технология значительно облегчает разработку матриц памяти высокой информационной емкости. При этом проект не является чисто фундаментальным: по словам старшего научного сотрудника ИФП СО РАН Дамира Исламова, в области создания мемристорной памяти Институт сотрудничает с АО НИИМЭ, где ведется разработка технологического маршрута, документации для проектирования мемристорных схем матриц для их производства на мощностях завода АО «Микрон» по технологии 180 нм с возможностью масштабирования под проектные нормы 90 нм. Это, конечно, экспериментальный этап: для полноценной интеграции в производство нужна фабрика более современных чипов, как минимум 28 нм — именно на этом уровне (28–22 нм) сейчас тестируют мемристорную память зарубежные компании. А для интеграции новой памяти в конечный продукт требуется еще и собственное производство компьютеров и телефонов. В этой области порадоваться мы можем только тому, что наука и технологии у нас конкурентоспособны.
Впрочем, многочисленные анонсы иностранных корпораций о скором триумфальном появлении энергонезависимой памяти нового поколения для массовых сегментов рынка тоже пока остаются словами. В компьютерной индустрии вообще не слишком любят революционные технологии: под них приходится перестраивать исправно работающие линии по выпуску множества компонентов, а в случае с ReRAM потребуется еще и полностью переформатировать индустрию софта, к чему рынок явно не готов. Однако технология энергонезависимой памяти нового поколения, безусловно, имеет все шансы показать взрывной рост в нишах, ассоциированных с развитием нейросетей, майнинга и в целом обработки больших данных, а в теории с ее освоением связывают долгожданный переход от простой, но морально устаревшей двоичной системы с затратным принципом «вкл/выкл» на троичный код.
