Устройство на интерфейсе оксидов объединяет функции транзистора, мемристора и мемконденсатора
Нейроморфная парадигма имитирует работу мозга как по архитектуре, так и по динамике, позволяя схемам хранить и обрабатывать информацию интегрированно, подобно сетям нейронов и синапсов. В отличие от обычных компьютеров, где обработка данных и память разделены, здесь эти функции объединяются в единой физической основе.
Устройство построено на взаимодействии двух оксидов: алюмината лантана (LaAlO₃) и титаната стронция (SrTiO₃). На границе раздела образуется квазидвумерный электронный газ, играющий роль проводящего канала, которым можно управлять электрически. Фактически, это транзистор, который также может функционировать как мемристор и мемконденсатор.
Отличие от привычной логики состоиот в том, что в новой разработке к функциям транзистора, резистора и конденсатора добавлена память. Устройство может выступать и как мемристор, сопротивление которого зависит от истории поданных сигналов, и как мемконденсатор, ёмкость которого также определяется предысторией. Эта зависимость от прошлого делает компоненты похожими на биологические синапсы.
Также стоит обратить внимание на архитектурную особенность. Управляющие затворы размещены по бокам, а не над каналом, как в обычных полевых МОП-транзисторах. С точки зрения функционирования это аналоговый компонент в мире доминирующих цифровых технологий: он способен находиться в нескольких промежуточных состояниях, а не только во включённом или выключенном.
Основная цель работы — выявить физический механизм, отвечающий за память. Двумерный электронный газ влияет на проводимость, но не является главным носителем памяти. Накопление зарядов происходит постепенно и контролируемо, модулируя канал за счёт электростатических эффектов. Этот механизм отличается от часто приписываемого устройствам памяти процесса миграции кислородных вакансий.
Главное новшество работы — электронный полиморфизм, то есть способность одного устройства выполнять несколько функций. Функция меняется исключительно в зависимости от конфигурации электрического соединения.
По мнению исследователей, интеграция функций способна значительно сократить количество взаимосвязей и энергопотребление — основные узкие места современных вычислительных систем. Устройство продемонстрировало эффективность в задачах, имитирующих работу мозга: резервуарные вычисления и распознавание простых паттернов, например цифр от 0 до 9 на изображениях низкого разрешения, за счёт нелинейности и кратковременной памяти. Отмечена также синаптическая пластичность — способность временно или постоянно усиливать реакцию на повторяющиеся стимулы, как при обучении.
Кроме того, устройство обладает реконфигурируемой логикой, позволяющей выполнять и сохранять операции «и», «или» и «не» непосредственно в самом компоненте без внешней памяти. Анализ показывает, что энергопотребление на одну операцию составляет несколько наноджоулей — ниже, чем у аналогичных традиционных архитектур.
При интеграции таких устройств в вычислительные системы проектирование печатных плат должно учитывать аналоговый характер компонентов и их многопортовую конфигурацию. Функциональный контроль печатных плат позволяет проверять работоспособность устройства при переключении между функциями, а контроль нанесения паяльной пасты обеспечивает качество монтажа компонентов с несколькими выводами.
По материалам: https://russianelectronics.ru