Темпы развития современной электроники уже намного опередили предсказания футурологов и фантастов 20-30-летной давности. В современных микросхемах разве что транскубация элементарных частиц не применяется. Казалось бы, в такой ситуации про базовые электронные элементы микросхем ученым известно больше некуда. Но, как выяснилось, это не так.

В апреле нынешнего года группа американских ученых в статье, опубликованной в журнале Nature, описала принципиально новый пассивный элемент электронных схем. Он обладает способностью изменять свое сопротивление в зависимости от прошедшего через него электрического заряда. Соответственно, новинка получила название "мемристор" - от слов memory (память) и resistor (резистор). Говоря языком энциклопедии, это "Пассивный двухполюсник с нелинейной вольт-амперной характеристикой, обладающий гистерезисом". Говоря по-человечески, резистор с эффектом памяти, способный изменять проводимость в зависимости от приложенного напряжения. Авторы разработки - несколько ученых из лаборатории информации и квантовых систем из HP Labs под руководством Стенли Уильямса.

Собственно говоря, мемристор уже давным-давно существовал в теоретическом виде. Его теоретическая модель устанавливала отношения между интегралами по времени силы тока, протекающего через элемент, и напряжения на нем. Эту самую теоретическую модель мемристора еще в 1971 году описал сотрудник университета штата Калифорния в г. Беркли Леон Чуа, который опубликовал в журнале IEEE Transactions on Circuit Theory ("Труды IEEE. Теория цепей") статью "Memristor - The Missing Circuit Element". Как видно уже из названия, Леон Чуа рассматривал мемристор (он же и предложил само это слово) как "потерянный" (в смысле не открытый учеными-физиками) пассивный элемент электронных схем. То есть в дополнение ко всем известным по азам электротехники "фундаментальным" резистору, конденсатору и индуктивности. Теперь, кстати, Чуа - заслуженный профессор университета в Беркли. Все эти десятилетия, минувшие после выхода статьи Чуа, мемристор считался чисто теоретической концепцией, неосуществимой на практике. Но американские ученые теперь это благополучно опровергли.

Чисто технически созданный в HP Labs мемристор состоит из тонкого слоя диоксида титана, который расположен между двумя платиновыми электродами. В этом "сэндвиче" под действием прилагаемого напряжения происходит изменение кристаллической структуры диоксида титана. Дело в том, что один из слоёв плёнки немного обеднён кислородом, и кислородные "дырки" мигрируют между слоями под действием приложенного электрического напряжения, как это происходит в наноионных устройствах.

Данное изменение, в свою очередь, приводит к увеличению сопротивления элемента в тысячи раз. И возникает "эффект памяти": при отключении источника тока элемент сохраняет изменения, возникшие при протекании через него заряда. Такие результаты были получены для элемента масштаба около 15 нм. По мнению Стенли Уильямса, размеры ячейки памяти можно сократить еще в несколько раз без изменения основных показателей элемента.

Надо отметить несколько отличий действующей модели мемристора от теоретической. Прежде всего, получившееся у группы Стенли Уильямса устройство:

• не поддерживает магнитный поток, как катушка индуктивности;
• не накапливает электрический заряд, подобно конденсатору.

Понятно, что такое неординарное свойство платиново-титанового "сэндвича" вполне может быть использовано для создания элементов памяти нового типа. Подобные элементы вполне могут придти на смену нынешним DRAM, и они, в отличие от последних, не будут терять информацию при отключении питания.

Это уже не просто теоретические предположения. Ученые Hewlett-Packard реализовали мемристор на функциональном уровне (как потенциальный новый элемент интегральных схем). Разработчики из HP Labs описали действующий прототип мемристора, который они использовали (!) в экспериментальном коммутационном устройстве, способном разместить 100 Гбит (!!) информации на одной (!!!) полупроводниковой пластине. (Напомню, что нынешний рекорд для чипов флэш-памяти - 16 Гбит.)

Профессор Леон Чуа - безусловный авторитет в фундаментальной микроэлектронике - уже дал высокую оценку работам группы Стенли Уильямса. Это, по мнению многих обозревателей, "позволяет надеяться на успешное развитие именно этого направления в разработке элементов памяти". Действительно, "мемристорные" ячейки, при должной их реализации, будут обладать миниатюрными размерами, мизерным энергопотреблением, высокой скоростью переключения, низкой себестоимостью производства и другими преимуществами. Хотя, с другой стороны, применение мемристоров явно потребует создания буквально "с нуля" новой теории электрических схем. Так или иначе, возможное появление на рынке готовых микросхем памяти на основе мемристоров ожидается не ранее чем через 5-10 лет.

Виктор ДЕМИДОВ

Справка "КВ"

В учебниках рассматриваются два класса физических величин - измеряемые в точке (или в сечении как в математической плоскости, нет отличия) и между двумя точками (поверхностями). В точке (сечении) измеряются ток (I) и заряд (Q), а между точками, соответственно, напряжение (U) и магнитный поток (A). Пассивные элементы электронных цепей (именно к ним относятся мемристоры), если можно так выразиться, "материализуют" отношения на их границах (выводах), соотнося измеряемые в точке (на выводе) величины с измеряемыми между точками (выводами).

Традиционно учёным и инженерам были известны и широко применялись на практике такие элементы:

• резистор ("сопротивление"). Простейший элемент, соотносит измеряемое между двумя точками (выводами) напряжение (в инженерной практике - падение напряжения) с измеряемым в точке (протекающим через вывод) током;
• конденсатор ("емкость"). Соотносит измеряемое между двумя точками (выводами) напряжение (в инженерной практике - падение напряжения) с измеряемым в точке зарядом;
• индуктивность. Соотносит измеряемый между двумя точками (выводами) магнитный поток с измеряемым в точке током.