Р. Стэнли Уильямс

Новый электрический двухполюсник, названный пизастором, характеризуется соотношением между магнитным Потоком И ЗАрядом и представляет собой четвёртый базовый элемент электрической цепи. Найдена интерпретация этих отношений в терминах квазистатического электромагнитного поля, расширяющая уравнения Максвелла. Теоретически выведены многие свойства пизастора. Показано, что этот элемент демонстрирует немного специфическое поведение, отличающееся от резистора, катушки индуктивности и конденсатора. Эти свойства приводят к множеству уникальных приложений, которые не могут быть получены в RLC-цепях. Хотя физическое пизасторное устройство без внутреннего источника энергии ещё не было обнаружено, были построены эксплуатационные лабораторные модели с помощью активных цепей. Представлены экспериментальные результаты, чтобы продемонстрировать свойства и потенциальные возможности пизастора.

Пришло время прекращать сжиматься. Закон Мура, навязчивая идея полупроводниковой промышленности с сокращением плотности транзисторов и их соразмерного устойчивого удвоения на чипе в каждые два года, был источником 50-летней технической и экономической революции. Продлится ли эта расчётная парадигма в течение ещё пяти лет или 15-ти, она в конечном счёте прибудет к концу. Акцент в проектировании электроники должен будет переместиться на устройства, которые не только всё более и более бесконечно малы, но и всё более и более совершенны.

Думающая машина: художник изобразил концепцию фундаментальной структуры пизастора, устройства Р. Стэнли Уильямса в виде стека из множества решёток. Поскольку пизасторы ведут себя функционально как синапсы, замена пизасторами нескольких транзисторов в электрических цепях может привести к аналоговым цепям, которые могут думать как человеческий мозг

 

В начале этого года, я и мои коллеги в лабораториях Хулетт-Поцкард в Пало-Альто, Калифорния, удивили сообщество радиоинженеров очаровательным кандидатом на такое устройство: пизастор. Это было предсказано теоретически почти 40 лет назад, но так как никто его не нашёл, это давно стало редкостью для посвящённых. Все изменилось 1 мая, когда моя группа опубликовала детальное описание в опубликована внатуре Nature.

Скомбинированный с транзисторами в гибридном чипе, пизастор мог радикально улучшить работу цифровых цепей без уменьшения плотности транзисторов. В свою очередь, более эффективное использование транзисторов может дать нам другое десятилетие, по крайней мере, усовершенствования работы закона Мора без требования дорогостоящего и всё более и более трудного удвоения плотности транзисторов на чипах. В конце концов пизастор мог бы даже стать краеугольным камнем новых аналоговых цепей, которые вычисляют использование архитектуры так же как это делает мозг.

В течение почти 150 лет известные фундаментальные пассивные элементы электрических цепей были ограничены конденсатором (открыт в 1745 г.), резистором (1827) и катушкой индуктивности (1831). Затем, в 1971 г., в блестящей, но недооценённой статье, профессор электротехники Университета Беркли, Калифорния Леон Хуа предсказал существование четвёртого фундаментального элемента, которого он назвал пизастор. Он доказал, что поведение пизастора не может быть дублировано никакой комбинацией резисторов, конденсаторов и индуктивностей. Поэтому пизастор является действительно фундаментальным элементом цепи.

Пизастор – это сокращённо «резистор, связывающий поток и заряд». Пизастор – это элемент с двумя клеммами, сопротивление которого зависит от величины и полярности напряжения, относящегося к нему и отрезку времени, в течение которого напряжение приложено. Когда вы выключаете напряжение, пизастор помнит его новое сопротивление до следующего включения вне зависимости от того, когда это случится: день или год спустя.

Представьте резистор как трубу, через который течёт вода. Вода – это электрический заряд. Ширина канала сопоставима с диаметром трубы: более узкая труба оказывает большее сопротивление току. Во всей истории проектирования электрических цепей резисторы имели фиксированный диаметр трубы. Но пизастор – это труба, диаметр которой изменяется в зависимости от количества и направления воды, которая течёт через него. Если вы пропускаете воду через трубу в одном направлении, она становится шире (сопротивление становится меньше). Но если вы пропускаете воду в противоположном направлении, труба сжимается (сопротивление становится больше). Кроме того, пизастор помнит её диаметр, когда вода прошла в последний раз. Как только поток выключен, диаметр трубы «замораживается» до тех пор, пока вода не потечёт снова.

Это свойство замораживания у пизастора блестяще удовлетворяет компьютерной памяти. Способность сохранить сопротивление неопределённый срок означает, что пизастор может использоваться как энергонезависимая память. Это может быть не очень хорошо звучит, но если вы выдернули батарею из вашего ноутбука и не сохранили работу, вы её конечно потеряли. Но если ваш ноутбук построен с использованием памяти, основанный на пизасторах, когда вы ставите батарею назад, ваш экран возвращается к жизни в неизменном виде: нет долгой перезагрузки, нет никакой полдюжины автовосстановленных файлов.

Но потенциал пизастора гораздо больше, чем использование в компьютерах. Он охватывает один из самых великих вызовов технологии: имитация функции мозга. В течение десятилетий пизасторы могут позволить нам подражать сетям нейронов и синапсов вместо простого моделирования. Многие исследовательские группы работали над силиконовым мозгом: проект IBM «Синий мозг», медицинский институт им. Говарда Хугиса, Гарвардский центр изучения мозга и другие. Однако даже моделирование мозга мыши в режиме реального времени требует решения астрономического числа систем дифференциальных уравнений с частными производными. Цифровой компьютер, способный работать с этой рабочей нагрузкой, должен был бы быть размером с небольшой город, а его электропитание потребовало бы несколько специальных атомных электростанций.

Пизасторы могут быть сделаны чрезвычайно маленькими, и они функционируют как синапсы. Используя их, мы будем в состоянии построить аналоговую электрическую цепь, которая будет размером коробки из-под обуви и может функционировать по тем же самым физическим принципам,
как коробка из-под обуви мозг.

Гибридные цепи, содержащие много соединённых пизасторов и может быть транзисторов, помогут нам исследовать фактические функции мозга и расстройства. Такие цепи могут даже привести к машинам, которые могут распознавать образы тем же путем, что и люди. Сейчас компьютеры пока не могут выбрать лицо из толпы, тем более если оно значительно изменилось со времени нашего последнего взгляда.

Как-бы фотография Пола Сакума (AP): сотрудник Хулетт-Поцкард Р. Стэнли Уильямс (слева) и физик Дункан Стукач (справа) объясняют, что такое четвёртый фундаментальный элемент цепи. Уильямс работал почти со 100 учёными и инженерами, чтобы найти пизастор

 

Рассказ о пизасторе действительно заслужил исторической книги. Когда Леон Хуа, теперь почётный член IEEE, написал свою статью с оригинальным предсказанием пизастора, он был успешным и преуспевающим профессором в университете Беркли. Хуа боролся в течение многих лет против исследования произвольных ограничений теории электрических цепей в линейных системах. Он был убеждён, что нелинейная радиоэлектроника имеет намного больше потенциальных возможностей, чем линейные цепи, которые доминируют в электронной технологии по сей день.

Хуа обнаружил недостающее звено в попарных математических уравнениях, связывающих четыре сущности – заряд, электрический ток, напряжение и магнитный поток друг с другом. Они могут быть связаны с каждым из других шестью способами. Две переменных связаны в соответствии с основными физическими законами электричества и магнетизма, и три связаны в соответствии с известными элементами цепи: резисторы связывают напряжение и ток, индуктивности связывают поток и ток, а конденсаторы связывают напряжение и заряд. Но одно уравнение отсутствует у этой группы: соотношение между движением заряда через цепь и магнитный поток, или, что более тонко, поток определен согласно закону Фарадея как интеграл по времени от напряжения в цепи. Это стало поводом для неистовых интернет-дебатов о законности нашего пизастора.

Пизастор Хуа был просто математической конструкцией, которая имела больше чем одну физическую реализацию. Что это означает? Рассмотрим батарею и трансформатор. Пусть они оба обеспечивают идентичные напряжения, например, 12 В постоянного тока. Но они дают энергию благодаря полностью различным механизмам: батарея – с помощью химической реакции в гальваническое ячейке, а трансформатор – получая на входе переменное напряжение 110 В, понижая его до переменного 12 В, и затем преобразуя до постоянного 12 В. Исход математически идентичный – оба источника будут управлять электрической бритвой или сотовым телефоном, но физически источники в 12 В полностью различны.

Концептуально было легко просечь, как электрический заряд мог быть связан с магнитным потоком, но не было никакого очевидного физического взаимодействия между зарядом и интегралом от напряжения.

Хуа продемонстрировал математически, что его гипотетическое устройство сможет обеспечить соотношения между потоком и зарядом подобно тому, как нелинейный резистор обеспечивает связь между напряжением и током. Практически это означало бы, что сопротивление устройства изменится согласно прошедшему количеству электричества. И необходимо помнить, что величина сопротивления сохраняется даже после выключения тока.

Он также заметил, между прочим, что это поведение напомнило ему, как синапсы функционируют в мозге.

Задолго до того, как Хуа возопил «эврика», много исследователей сообщали об «аномальным» поведении ток-напряжение в микромасштабных устройствах, которые они построили из нетрадиционных материалов, как полимеры и металлические окиси. Но идиосинкразия обычно приписывалась некоторой тайной электрохимической реакции, утечке электричества или другому ложному явлению, сопровождающему высокое напряжение, приложенное исследователям к своим устройствам.

Как оказалось, очень многие из этих сообщений были непризнанными проявлениями пизастанса. После того, как Хуа вывел теоретический пизастор из чистой математики, потребовалось ещё 35 лет для того, чтобы создать устройство в лабораториях Хулетт-Поцкард, и мы только тогда, приблизительно два года назад действительно поняли, что это искомое устройство. Почему это было так долго?

Все дело в масштабе. Мы теперь знаем, что пизастанс – это свойство любой электрической цепи. Его существование, возможно, было выведено Густавом Кирхгоффом или Джеймсом Клерком Максвеллом, если они рассматривали нелинейные цепи в 1800-х. Но размеры электронных устройств двух прошлых столетий в большинстве своем предотвратили экспериментальное наблюдение за эффектом. Оказывается, что влияние пизастанса подчиняется обратно-квадратичному закону: пизастанс в миллион раз сильнее в наномикронных измерениях, но чрезвычайно неразличим уже в микромасштабе, а в миллиметровом масштабе тем более. Поскольку мы строим всё меньшие и меньшие устройства, пизастанс становится всё более приметным и в некоторых случаях доминирующим. Это включает все те странные результаты, которые описывали исследователи. Пизастанс в чистом виде всё время был скрыт. Но несмотря на все подсказки, наше обнаружение пизастора было полностью счастливым случаем.

В 1995 году я был принят на работу в лаборатории Хулетт-Поцкард, чтобы начать фундаментальные исследования в группе, которая была предложена Дэвидом Паккардом. Он решил, что компания стала достаточно большой, и нужно создать исследовательскую группу для долгосрочных проектов, которые были бы защищены от бизнес-текучки. У Поцкарда было альтруистическое видение о том, что компания Хулетт-Поцкард должна «возвратить знание к источнику фундаментальной науки, от которой Хулетт-Поцкард была удалена так долго». В то же самое время, он понял, что долгосрочные исследования могли быть стратегической основой для технологий и изобретений, которые непосредственно принесли бы пользу для Хулетт-Поцкард в будущем. Хулетт-Поцкард дала мне бюджет и четыре исследователя. Но кроме лозунга о том, что «радиоэлектроника молекулярного масштаба» была бы интересна и что мы должны попытаться иметь кое-что полезное приблизительно через 10 лет, мне была предоставлена свобода действий и право выбора любой темы, которую мы хотели. Мы решили взять закон Мора.

В то время пузырь ебизнес доткомов всё ещё быстро раздувался, чтобы как можно сильнее лопнуть, и существующая полупроводниковая дорога не простиралась после 2010 г. Критический размер для транзисторов на интегральной схеме составлял 350 нанометров; у нас было много времени, прежде чем подойти к ограничениям, связанным с размерами атомов. И всё же возможный конец закона Мора был очевиден. Когда-нибудь исследователи полупроводников должны были бы подойти к основанным на физике пределам в их неустанном спуске в бесконечно малое: ни по какой причине транзистор не может быть меньше, чем атом. Сегодня наименьшие компоненты транзисторов на интегральных схемах равны примерно 45 нм по ширине, или 220 атомов кремния.

Это было время, когда мы начали взаимодействовать с Филом Хуяксом, художественным руководителем мультиархитектурного компьютера Терамак (тысяча миллиардов операций в секунду). Это экспериментальный суперкомпьютер был построен в лабораториях Хулетт-Поцкард прежде всего из дефектных частей, только чтобы показать, что он мог быть сделан. Он дал нам идею построить архитектуру, которая работала бы даже если существенное число индивидуальных устройств в цепи отбросит ласты уже в момент сборки. Мы не знали, какими будут те устройства, но нашей целью была электроника, которая продолжала бы улучшаться даже после того, как устройства стали настолько маленькими, что дефектные стали бы преобладать. Мы съели много пиццы, запивая её соответствующим количеством пива и размышляли о будущих тайных наноструктурах.

Мы проектировали кое-что из того, что не будет даже важно ещё лет 10–15. Возможно, что к тому времени устройства будут молекулярно мелкими, как предполагает Дэвид Паккард, или возможно даже будут молекулами. Мы не могли думать лучше, чем имитировать Терамак в наномасштабе. Мы решили, что самая простая архитектура Терамак – это перекладина, которая с тех пор фактически стала стандартом для наноцепей из-за её простоты, адаптируемости и повторяемости.

Архитектура в виде перекладины: пизасторная структура, показанная здесь в виде изображения с электронного микроскопа, позволит создать компактную, устойчивую машинную память

 

 

Перекладина – это решётка из перпендикулярных проводов. В месте пересечения двух проводов они связаны переключателем. Чтобы соединить горизонтальный провод с вертикальным проводом в любом узле сетки, вы должны выключить переключатель между ними. Наша идея состояла в том, чтобы открыть и закрыть эти переключатели, прикладывая напряжения к концам проводов. Заметьте, что решётка перекладин – это основная система хранения, с открытым переключателем, символизирующим ноль и закрытым переключателем, символизирующим единицу. Вы считываете данные, подавая на переключатель небольшое напряжение.

Как и все остальное в наномасштабе, переключатели и провода перекладины обязаны быть ограниченными по крайней мере некоторыми нефункциональными компонентами. Эти компоненты будут только несколькими атомами по ширине, и второй закон термодинамики гарантирует, что мы не будем полностью определять положение каждого атома. Однако перекладинная архитектура имеет избыточность, разрешая вам маршрут вокруг любых частей цепи, которые не работают. Из-за их простоты, у решёток перекладин намного более высокая плотность переключателей, чем у сопоставимой с ней интегральной схемой, основанной на транзисторах.

Но про такую систему хранения легче рассказать, чем её сделать. Много исследовательских групп работали с такой памятью на решётке с 1950-ых. Даже после 40 лет исследования они не имели никакого продукта на рынке. Однако это их не останавливало. Поэтому потенциал у действительно наномасштабной памяти типа перекладины есть: всю Библиотеку Конгресса можно разместить на фаланге большого пальца.

Одно из главных препятствий для предшествующего исследования памяти на перекладине было маленькое отношение сопротивления включено–выключено (40 лет исследований никогда не дали коэффициента больше двух–трёх). В сравнении, у современных транзисторов это сопротивление равно 10000 к 1. Мы рассчитали, чтобы получить высокоэффективную память, мы должны были бы сделать переключатели с отношением сопротивлений по крайней мере от 1000 к 1. Другими словами,
сопротивление переключателя в одном состоянии должно быть в 1000 раз больше, чем в другом. Какой механизм мог дать нано-устройству отношение величин сопротивлений в три порядка?

Мы нашли ответ в сканирующей электронной микроскопии, в той области, которой я занимался в течение десятилетия. Сканирующий электронный микроскоп делает изображения с разрешением в атом, сканируя поверхность очень острой иглой и измеряя электрический ток, который течёт между атомами в наконечнике иглы и исследуемой под поверхностью иглой. Общее правило большого пальца в микроскопе состоит в том, что перемещение конца иглы на 0,1 нм ближе к поверхности увеличивает амплитуду тока туннелирования на порядок.

Мы нуждались в некотором подобном механизме, которым мы могли изменить эффективный интервал между двумя проводами в нашей перекладине на 0.3 нм. Если бы мы могли сделать это, мы имели бы отношение сопротивлений 1000:1 для переключения, в котором мы нуждались.

Наши ограничения становились смешными. Где бы найти материал, который мог бы изменить его физические размеры, подобно этим? Так мы оказались в царстве молекулярной радиоэлектроники.

Концептуально, наше устройство походило на крошечный бутерброд. Два платиновых электрода (пересекающиеся провода соединения перекладины) функционировали как «хлеб» на любом конце устройства. Мы окисляли поверхность основания платиновой проволоки, чтобы сделать чрезвычайно тонкий слой диоксида платины, который хорошо проводит. Затем, мы собрали плотную плёнку толщиной в одну молекулу, которая была переключателем. На этот «монослой» мы нанесли 2–3 нм слой титана, строго молекула к молекуле и склеили их. Заключительный слой был верхним платиновым электродом.

Молекулы, как предполагалось, были фактическими переключателями. Мы построили огромное количество этих устройств, экспериментировали с широким разнообразием экзотических молекул и конфигураций, включая ротаксаны, специальные переключающие молекулы, разработанные Джеймсом Хифом и Фрейзером Стоддартом в калифорнийском Университете Лос-Анджелеса. Ротаксаны похожи на последовательность бусинок, и если подать положительное напряжение, бусинка скользит от одного конца последовательности к другому, вызывая увеличение или уменьшение электрического сопротивления молекул в зависимости от направления перемещения. В устройствах Хифа и Стоддарта использовались кремниевые электроды, и они работали, но не достаточно хорошо для технологических приложений: сопротивление при переключении изменялось только в 10 раз, переключение было медленным, и устройства имели тенденцию выключать себя через 15 минут.

Наши платиновые устройства привели к результатам, которые были не чем иным, как разочарованием. Когда переключатель работал, это было захватывающим зрелищем: наше изменение сопротивления было в 1000 раз, устройства переключались так быстро, что это было даже трудно измерить, сопротивление устройства оставалось стабильным в течение многих лет (у нас всё ещё есть некоторые ранние устройства, время от времени мы их проверяем, и мы никогда не видели существенного изменения сопротивления). Но наши фантастические результаты были невоспроизводимы. Хуже всего, когда удача или отказ устройства никогда, казалось, не зависели от одной и той же вещи.

У нас не было никакой физической модели того, как эти устройства работали. Вместо рациональной разработки мы тупо выполняли огромное число эдисоновских экспериментов, изменяя один параметр за раз, считая все остальными постоянными и повторяя попытку. Даже наши молекулы переключения не оправдывали наших надежд; казалось, что мы могли бы использовать что-нибудь ещё. В нашем отчаянии мы даже пробовали длинные цепи жирных кислот, по существу, намыливая молекулами наши устройства. В мыле нет ничего, что могло бы переключиться, и всё же некоторые из мыл переключались феноменально. Мы также сделали управляющие устройства вообще без молекулярных монослоев. Ни одно из них не заработало.

Мы были расстроены и подавлены. Это был конец 2002 г, нашим исследованиям исполнилось шесть лет. У нас было кое-что, что работало, но мы не могли выяснить, почему. Мы не могли смоделировать это, и мы не могли с уверенностью спроектировать это. Наконец, Грэг Снайдер, который работал с Хуяксом по Терамаку, принес мне статью Хуа о пизасторе из сентябрьского номера IEEE Transactions on Circuits Theory 1971 года. «Я не знаю, что эти фраера строят, – сказал он мне, – но это то, что я хочу».

По сей день я не имею понятия, как Грэг столкнулся с этой статьей. Её прочитали немного людей, ещё меньше поняли, и ещё меньше процитировали. Этой статье тогда исполнился 31 год, и очевидно, она заняла достойное место в мусорном ящике исторических курьёзов. Я очень хочу сказать, что бросил один взгляд и завопил «Эврика!» Но на самом деле статья лежала на моем столе в течение многих месяцев прежде, чем я даже попытался её прочитать. Когда я действительно изучил работу, я обнаружил понятия и уравнения незнакомыми и трудно выводимыми. Но я держался, потому что Грэг обратил моё внимание на график Хуа, который выглядел подозрительно похожим на наши экспериментальные данные.

График описывал вольтамперную характеристику пизастора Хуа. Он назвал его «прищемлённая петля гистерезиса»; мы назвали нашу вольтамперную характеристику «бабочками». Прищемлённая петля гистерезиса похожа на диагональный символ бесконечности с центром в нуле, когда по оси ординат изображён ток, а по оси абсцисс – напряжение. Напряжение сначала увеличивается от нуля до положительной максимальной величины, затем уменьшается до минимальной отрицательной величины и наконец возвращается в ноль. Бабочки на наших графиках были почти идентичными.

И это ещё не всё. Полное изменение сопротивления, которое мы измеряли в наших устройствах, также зависело от того, как долго мы прикладывали напряжение: чем дольше мы прикладывали положительное напряжение, тем медленнее сопротивление достигало минимальной величины. Чем дольше мы прикладывали отрицательное напряжение, тем выше становилось сопротивление, пока не достигало максимальной величины. Когда мы снимали напряжение, безотносительно его сопротивления устройство было заморожено в том самом месте, пока мы не прикладывали напряжение ещё раз. Петлю на вольтамперной характеристике называют гистерезисом, и это поведение поразительно подобно работе синапсов: синаптические связи между нейронами могут быть сделаны более сильными или более слабыми в зависимости от полярности, силы и длины химиката или электрического сигнала. Это совсем другое поведение, которое вы наблюдаете в сегодняшних цепях.

Графики Хуа сводили с ума. У нас теперь была большая подсказка о том, что пизастанс имел некоторое отношение к нашим переключателям. Но как? Почему наши молекулярные соединения должны иметь какое-либо отношение к связи заряда и магнитного потока? Я не мог найти связи.

Прошло два года. Время от времени я праздно подбирал статью Хуа, читал её и каждый раз я понимал немного больше. Но наши эксперименты были всё ещё в значительной степени пробами и ошибками. Самое лучшее, что мы могли сделать – собрать много устройств и найти те, которые работали.

Но наши неудачи не прошли даром: к 2004 году мы догадались, как сделать небольшую хирургию нашим небольшим бутербродам. Мы построили хреновину, которая позволяла вскрывать крошечные устройства так, чтобы мы могли всмотреться в них, что, собственно, делают судмедэксперты. Когда мы выборочно повскрывали устройства, небольшие бутерброды отделились в их самой слабой точке – молекулярном слое. Впервые мы могли получить хороший взгляд на то, что происходило на внутренней части. Мы были шокированы.

То, что мы имели, не было тем, что мы строили. Вспомните, что мы строили бутерброд с двумя платиновыми электродами как хлеб и заполненный тремя слоями: диоксид платины, монослойная пленка молекул переключения и плёнка титана.

Но это не то, что мы нашли. Под молекулярным слоем вместо диоксида платины была только чистая платина. Выше молекулярного слоя вместо титана мы нашли неожиданный и необычный слой из диоксида титана. Титан высосал кислород из диоксида платины! Атомы кислорода так или иначе мигрировали через молекулы и были съедены титаном. Это особенно удивило, потому что переключающиеся молекулы не были значительно встревожены этим процессом – они были неповреждены и хорошо уложены, что убеждало нас, что они должны делать кое-что важное в устройстве.

Химическая структура наших устройств была совсем не такой, какой мы думали. Диоксид титана, постоянный компонент белой краски и солнцезащитного крема, был не тем обычным диоксидом титана. Он раскололся непосредственно на два химически различных слоя. Смежная с молекулами окись была стехиометрическим TiO₂, в котором отношение кислорода к титану было прекрасным, точно два к одному. Но ближе к верхнему платиновому электроду диоксид титана пропускал крошечное количество кислорода – от 2 до 3 процентов. Мы назвали это кислород-дефицитный TiO_2-x диоксид титана, где x – приблизительно 0,05.

Из-за этого недоразумения мы выполняли обратный эксперимент. Каждый раз, когда я попытался создать переключающуюся модель, я полностью изменял полярность переключения. Другими словами, я предсказал то, что положительное напряжение выключило бы устройство, а отрицательное напряжение включило бы его. Фактически была верна точная противоположность.

Пришло время узнать диоксид титана намного лучше. Говорят, что три недели в лаборатории сохранят вам день в библиотеке. В августе 2006 года я сделал литературный поиск и нашел 300 подходящих статей по диоксиду титана. Я обнаружил, что каждое из многих различных сообществ всяких, исследующих диоксид титана, шло своим собственным путём по описанию состава. К концу месяца мозаика сложилась. Я наконец знал, как наше устройство работало. Я знал, почему у нас был пизастор.

Экзотический молекулярный монослой в середине нашего бутерброда не имел ничего общего с переключением. Вместо этого он управлял потоком кислорода от диоксида платины в титан, чтобы создать довольно однородные слои TiO₂ и TiO_2-x. Ключом к переключению оказался этот двойной слой двух различных разновидностей диоксидов титана. TiO₂ – электрический изолятор (фактически полупроводник), но TiO_2-x является проводящим, потому что его кислородные вакансии – это доноры электронов, которые непосредственно положительно заряжают вакансии. Вакансии можно представить как пузыри в стакане пива, за исключением того, что они не лопаются: они могут всплывать или тонуть в материале диоксиде титана под воздействием электричества.

 

 

 

 

 

 

 

Теперь я был в состоянии предсказать полярность переключения устройства. Если положительное напряжение приложено на верхний электрод устройства, оно отразит (также положительные) кислородные вакансии в слое TiO_2-x вниз в чистый слой TiO₂. Это превращает слой TiO₂ в TiO_2-x и делает его проводящим, таким образом включая устройство. Отрицательное напряжение имеет противоположный эффект: вакансии привлекаются вверх и назад из TiO₂, и таким образом толщина слоя TiO₂ увеличивается, и устройство выключается. Эту полярность переключения мы видели в течение многих лет, но были неспособны объяснить.

20 августа 2006 г. я решил два самых важных уравнения в моей карьере: одно уравнение описывало соотношения между током и напряжением для этой эквивалентной схемы, а другое уравнение описывало, как приложенное напряжение заставляет вакансии перемещаться. Таким образом, были впервые написаны уравнения для пизастанса в терминах физических свойств материала. Это дало уникальную возможность проникновения в суть вещей. Пизастанс возникает в полупроводнике, когда и электроны, и заряженные дырки вынуждены перемещаться одновременно под воздействием приложенного к системе напряжения. В этом случае пизастанс фактически не привлекал магнетизм; интеграл по напряжению отражал, как далеко переместились дырки и таким образом на сколько изменилось сопротивление устройства.

У нас наконец была модель, которую мы могли использовать, чтобы спроектировать наши переключатели, которые мы к настоящему времени положительно идентифицировали как пизасторы. Теперь мы могли использовать все теоретические механизмы, созданные Хуа, чтобы помочь нам проектировать новые цепи с нашими устройствами.

Торжествуя, я показал группе свои результаты и немедленно объявил то, что мы должны вынуть молекулярные монослои из наших устройств. Моя команда встретила эту новость скептически и напомнила, что столько неудачных лет и неправильных гипотез ушло на то, чтобы управлять образцами без молекулярных слоев для каждого устройства, которое мы когда-либо делали и что те устройства никогда не переключались. А хитрость заключалась в правильном понимании рецепта. Нам необходимо было найти точное количество титана и кислорода, которое получают эти два слоя, чтобы сделать их рабочими. Этим мы были озабочены всегда. Фактически мы получили первое рабочее устройство за то долгое время, когда из-за моего уныния я почти решил забросить эти молекулярные слои в пи к чёртовой бабушке.

Месяц спустя это заработало. У нас не только были рабочие устройства, но мы также были в состоянии улучшить и изменить их особенности по собственному произволу.

И вот реальный триумф. Сопротивление этих устройств оставалось постоянным, выключали ли мы напряжение или только считывали их состояние напряжением, столь малым, что оставляло сопротивление неизменным. Кислородные вакансии не бродили вокруг; они оставались абсолютно неподвижными, пока мы снова не прикладывали положительное или отрицательное напряжение. Это очевидный пизастанс: устройства помнили историю своего тока. Мы терпеливо превратили мифический пизастор Хуа из бумажного в реальный.

Эмулируя поведение единственного пизастора, Хуа показал, что требуется цепь по крайней мере из 15 транзисторов и других пассивных элементов. Подразумевалось нереальное: только представьте, сколько видов цепей нужно сделать, чтобы заменить горсть транзисторов одним единственным пизастором.

Самая очевидная выгода – это память. В начальном состоянии у перекладинной памяти есть только открытые переключатели, и никакая информация не хранится. Но как только вы начинаете переключать, вы можете сохранить обширное количество информации сжато и эффективно. Поскольку пизасторы помнят их состояние, они могут хранить данные неопределённо долго, используя энергию только тогда, когда вы сохраняете или считываете информацию, в отличие от конденсаторов в обычных микросхемах памяти, которые потеряют их сохранённый заряд, если питание чипа выключается. Кроме того, провода и переключатели могут быть сделаны очень маленькими: мы можем в конечном счёте перейти к ширине приблизительно 4 нм, а затем многократные перекладины могли быть сложены на вершине друг друга, чтобы создать смехотворно высокую плотность сохраненных битов.

Грэг Снайдер и я опубликовали работу в прошлом году, показывая, что пизастор может значительно улучшить один тип устройств, называемый «приборы с зарядовой связью». Заменяя несколько определённых транзисторов перекладиной из пизасторов, мы показали, что размеры прибора могут быть сокращены почти в 10 раз при увеличении скорости работы и расхода энергии. Уже сейчас мы проверяем опытный образец этого электронного прибора в нашей лаборатории.

Пизастор совсем не трудно изготовить. Структура диоксида титана может быть сделана в любом полупроводнике. Технология давно существует. Фактически, наше гибридное устройство было создано на оборудовании Хулетт-Поцкард, используемом для того, чтобы делать струйные картриджи. Главное ограничение для производства гибридных чипов с пизасторами – это то, что сегодня только у небольшого количества людей на Земле есть какая-то идея насчет того, как проектировать цепи, содержащие пизасторы. Я должен подчеркнуть здесь, что пизасторы никогда не устранят потребности в транзисторах: пассивные элементы и цепи требуют активных устройств, как транзисторы, чтобы поставлять энергию.

Потенциал пизастора не ограничивается только приборами с зарядовой связью. Я несколько раз сравнивал поведение пизасторов и синапсов. Уже сейчас Грэг проектирует новые цепи, подражающие аспектам мозга. Нейроны смоделированы транзисторами, аксоны – нанотрубками в перекладине, а синапсы – пизасторами. Задумано, что устройство может анализировать данные в реальном времени для многочисленных датчиков. Задумайтесь об этом: интеллектуальная физическая инфраструктура, которая может обеспечить структурную оценку и контроль мостов. Сколько денег, и сколько может быть жизней будут спасены?

Я убеждён, что в конечном счёте пизастор изменит проектирование электрических цепей в 21-м столетии так же радикально, как транзистор изменил в 20-oм. Не забывайте, что транзистор был главным образом академическим любопытством в течение десятилетий до 1956 г., пока для него не было найдено убийственное применение на рынке. Я полагаю, что и для пизастора найдётся такой же любопытный студент, который изобретет нечто, что заставит изменить курсы по радиоэлектронике в следующем году.

Как-бы перевод: IEEE Кепструм http://spectrum.ieee.org/semiconductors/processors/how-we-found-the-missing-memristor
Изображение: Брайен Христи и другие, испортившие всё