Двунаправленный сильно нелинейный аналоговый мемристор на основе туннелирования «зона‑в‑зону» для надежной работы кроссбар‑массива

Почему важна новая память

Каждый раз, когда вы пользуетесь телефоном или компьютером, информация постоянно перемещается между процессором, который выполняет вычисления, и памятью, где хранятся данные. Эта пробка, неофициально известная как узкое место в передаче данных, тратит время и энергию. Исследование, описанное в этой статье, изучает крошечный электронный компонент — мемристор — который может одновременно хранить данные и помогать выполнять вычисления прямо в памяти. Путём переосмысления поведения таких устройств в крупных матрицах авторы стремятся сделать аппаратное обеспечение для искусственного интеллекта в будущем быстрее, энергоэффективнее и проще в изготовлении.

От пробки к встроенным коротким путям

Традиционные компьютеры разделяют вычисления и память, заставляя информацию преодолевать длинные «дороги» на кристалле. По мере роста задач, насыщенных данными — таких как искусственный интеллект, интеллектуальные датчики и периферийные устройства — это постоянное движение становится серьёзным ограничением. Мемристоры — крошечные элементы, электрическое сопротивление которых можно настраивать и запоминать — предлагают способ перенести часть вычислений непосредственно в массив памяти. В кроссбарной компоновке, где множество проводников пересекаются и на каждом пересечении стоит мемристор, большие блоки вычислений могут выполняться параллельно. Однако при высокой плотности таких элементов побочные эффекты при записи и чтении — например, наведённое напряжение в соседних ячейках и токи утечки по нежелательным путям — могут повреждать данные, если каждому мемристору не сопоставить отдельный «селектор», что добавляет сложности и затрат.

Самоселектирующаяся ячейка памяти

Авторы предлагают единичное устройство, которое пытается решить эти проблемные проявления на уровне массива самостоятельно. Их мемристор использует слоистую «сэндвич»-структуру материалов — платина и два оксида металлов, оксид никеля (p‑типа) и оксид цинка (n‑типа) — расположенные симметрично как Pt/p‑NiO/n‑ZnO/p‑NiO/Pt. Благодаря электронной согласованности этих оксидов устройство естественным образом сопротивляется протеканию тока при низких напряжениях, но позволяет току резко возрастать после достижения определённого порога «включения». Критически важно, что сильная нелинейность проявляется как при положительных, так и при отрицательных напряжениях, поэтому одну и ту же ячейку можно записывать, стирать и читать в любом направлении без отдельного селектора. Одновременно мемристор работает в аналоговом режиме: его проводимость можно плавно регулировать примерно на два порядка величины с помощью импульсов напряжения, а не переключать только между простыми состояниями «вкл» и «выкл».

Как крошечные слои выполняют свою работу

Чтобы понять, что делает это возможным, команда тщательно картировала энергетический ландшафт внутри слоистой структуры. Измерения работы выхода и ширины запрещённой зоны показали, что гетеропереход NiO/ZnO формирует небольшой сдвиг между верхом одного энергетического бэнда и низом другого. При низком напряжении течёт лишь небольшой почти омический ток. Когда напряжение становится достаточно большим, электроны начинают «туннелировать» напрямую из заполненных состояний одного слоя в пустые состояния другого — эффект, похожий на тот, что наблюдается в диодах Зенера. Это туннельное переход «зона‑в‑зону» вызывает резкий рост тока. Вдобавок к этому ионы кислорода внутри оксидов дрейфуют при приложенном электрическом поле. Их движение тонко меняет степень легирования каждого слоя и сдвигает порог туннелирования, что даёт встроенный механизм для постепенной настройки проводимости в зависимости от полярности напряжения и истории импульсов.

Заставляя большие матрицы работать согласованно

Вооружившись подробными данными по току–напряжению для многих устройств, исследователи смоделировали поведение этого мемристора в крупных кроссбар‑массивах. При операциях записи только одна ячейка должна получать полное напряжение, тогда как соседние видят примерно половину. Поскольку новое устройство пропускает очень небольшой ток при половинном напряжении записи, эти «половинно выбранные» ячейки претерпевают незначительные непреднамеренные изменения, что расширяет безопасное рабочее окно. При операциях чтения основной проблемой являются «сник‑путь» токи, которые протекают через соседние ячейки и размывают различие между состояниями высокого и низкого сопротивления. Сильная нелинейность на выбранном напряжении чтения резко подавляет такие утечки. С помощью схемных моделей авторы показывают, что при оптимизированном подтягивающем резисторе массивы размером примерно до 1200 на 1200 ячеек всё ещё могли бы надёжно различать сохранённые состояния без внешних селекторов.

Обещания и последующие шаги

С практической точки зрения эта работа указывает путь к чипам памяти, которые смогут упаковывать миллионы самоселектирующихся мемристоров в плотные трёхмерные решётки, выполняя вычисления в стиле нейронных сетей там, где находятся данные, вместо того чтобы тащить их к удалённым процессорам. Демонстрируемое устройство уже поддерживает несколько стабильных уровней проводимости и показывает хорошую работу в смоделированных задачах распознавания образов, хотя требуется дальнейшее совершенствование — например, снижение рабочих напряжений и подтверждение поведения в наноскалярных массивах. Для неспециализированного читателя ключевая мысль такова: тщательная инженерия движения атомов и электронов внутри одного крошечного компонента может упростить всю архитектуру будущего аппаратного обеспечения ИИ, сделав её быстрее и энергоэффективнее.

Цитирование: Chung, P.H., Ryu, J., Seo, D. et al. Bidirectional highly nonlinear analog memristor based on band-to-band tunneling for reliable crossbar array operation. npj Unconv. Comput. 3, 19 (2026). https://doi.org/10.1038/s44335-026-00065-5

Ключевые слова: кроссбар мемристор, вычисления в памяти, нейроморфное оборудование, нелинейные запоминающие устройства, туннелирование зона‑в‑зону