Сотрудники Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН моделируют электронную и атомную структуру, а также дефекты в диэлектриках, используемых в работе приборов резистивной и сегнетоэлектрической памяти.

Это позволяет сохранять информацию на вычислительном устройстве длительное время при его отключении от питания, что делает память энергонезависимой. В будущем результаты работы новосибирских учёных могут быть использованы для создания новых универсальных видов памяти. Статья об этом опубликована в «Журнале экспериментальной и теоретической физики».

Диэлектрики в конструкциях энергонезависимой памяти — активные слои, определяющие все ключевые свойства этих приборов: возможности и время хранения информации, время считывания и перезаписи, скорость работы, а также энергию, которая требуется для полноценного функционирования. Новые типы памяти имеют преимущества по сравнению с распространенной сегодня в вычислительной технике флеш-памятью — требуют меньше мощностей для перезаписи информации, также они могут быть радиационно стойкими. Учёные ищут новые материалы, воссоздают сложные комбинации структур для улучшения характеристик устройств памяти. По мнению исследователей из ИФП СО РАН, новая память должна быть универсальной и в будущем сможет заменить все остальные виды, включая динамическую и флеш-память, соответственно, полностью изменится концепция компьютеров и других информационных систем.

«Зачастую некоторые критические параметры полупроводникового устройства определяют дополнительные слои, в том числе диэлектрические. Диэлектрики проводят электрический ток за счёт дефектов в своей структуре: электроны перемещаются по дефектам и таким образом электрический ток проходит через диэлектрические слои. В некоторых приборах, например транзисторах, наличие дефектов в диэлектриках имеет негативный характер, но в приборах памяти на дефектах основаны запоминающие свойства. Мы пытаемся смоделировать и понять механизмы переключения состояния диэлектрической среды, чтобы спрогнозировать качества итогового устройства памяти. Сегодня наша группа работает в двух направлениях — исследуем материалы для резистивной и сегнетоэлектрической памяти. В резистивной памяти основными дефектами могут быть вакансии кислорода в диэлектрике, в сегнетоэлектрической памяти принцип работы состоит в изменении поляризации сегнетоэлектрической плёнки на основе оксида гафния посредством внешнего электрического поля», — рассказал старший научный сотрудник лаборатории физических основ материаловедения кремния кандидат физико-математических наук Дамир Ревинирович Исламов.

По словам учёных, сегодня активно идут поиски новых видов памяти для замены флеш-памяти. Периодически на рынке появляются приборы, основанные на новых принципах. Свой вариант в 2015 году представила компания Intel — резистивную память Optane Memory, однако в 2021 году сообщили о прекращении выпуска этих накопителей. Конечные приборы оказались слишком дорогими, что привело к малым продажам. Также появляются версии сегнетоэлектрической памяти, но они имеют небольшой объем и не распространяются среди массовых пользователей.

В списке требований к новой универсальной памяти предъявляется высокая скорость работы и объемы накопления информации, а также возможность перезаписи. Работа новосибирских исследователей в будущем поможет исправить ошибки предыдущих разработчиков и вывести новые подходы к созданию новых видов памяти.

«При моделировании структуры диэлектрических слоев и дефектов в них мы пользуемся ресурсами ЦКП “Сибирский суперкомпьютерный центр СО РАН”, который расположен в Институте вычислительной математики и математической геофизики СО РАН. Изначально мы можем только предположить наиболее оптимальную пространственную конфигурацию атомов в дефектах, поэтому проводится большое количество расчетов по оптимизации структуры. Рассчитываем расположение атомов в кристаллической ячейке, выявляем траекторию перемещения этих атомов при генерации дефектов, что позволяет оценить количество необходимой для реакции энергии. Мощности ССКЦ СО РАН полностью закрывают наши потребности в математическом моделировании», — отметил Дамир Исламов.

Работа выполняется при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 24-19-00650).

Текст: Кирилл Сергеевич.
Источник: «Наука в Сибири».