Dr. Ilia Valov (avant gauche) dans l'Amas d'Oxyde du Forschungszentrum Jülich, où des expériences ont été menées pour les travaux en cours. En arrière-plan :Michael Lübben (au centre) et le professeur Rainer Waser (à droite) Crédit :RWTH Aachen/Peter Winandy
Les scientifiques du monde entier travaillent intensément sur des dispositifs memristifs qui consomment une puissance extrêmement faible et se comportent de la même manière que les neurones du cerveau. Des chercheurs de la Jülich Aachen Research Alliance (JARA) et du groupe technologique allemand Heraeus rapportent désormais le contrôle systématique du comportement fonctionnel de ces éléments. Les plus petites différences dans la composition des matériaux se sont avérées cruciales, si petit que jusqu'à présent, les experts ne les avaient pas remarqués. Les orientations de conception des chercheurs pourraient contribuer à accroître la variété, Efficacité, sélectivité et fiabilité pour les applications basées sur la technologie memristive, par exemple, a faible consommation, périphériques de stockage non volatiles ou ordinateurs neuro-inspirés.
La société japonaise NEC a installé les premiers prototypes memrésistifs dans des satellites spatiaux en 2017. De nombreuses autres entreprises de premier plan telles que Hewlett Packard, Intel, IBM et Samsung s'efforcent de commercialiser des types innovants d'ordinateurs et de périphériques de stockage basés sur des éléments memristifs.
Fondamentalement, les memristors sont simplement des "résistances avec mémoire, " dans lequel une résistance élevée peut être commutée sur une résistance faible et inversement. Cela signifie en principe que les appareils sont adaptatifs, semblable à une synapse dans un système nerveux biologique. "Les éléments memristifs sont considérés comme des candidats idéaux pour les ordinateurs neuro-inspirés modelés sur le cerveau, qui suscitent un grand intérêt en lien avec le deep learning et l'intelligence artificielle, " déclare le Dr Ilia Valov de l'Institut Peter Grünberg (PGI-7) au Forschungszentrum Jülich.
Dans le dernier numéro de la revue en libre accès Avancées scientifiques, lui et son équipe décrivent comment la commutation et le comportement neuromorphique des éléments memristifs peuvent être contrôlés sélectivement. D'après leurs conclusions, le facteur crucial est la pureté de la couche d'oxyde de commutation. "Selon que vous utilisez un matériau pur à 99,999999%, et que vous introduisiez un atome étranger dans 10 millions d'atomes de matière pure, ou en 100 atomes, les propriétés des éléments memristifs varient considérablement, " dit Valov.
Cet effet avait jusqu'à présent été négligé par les experts. Il peut être utilisé très spécifiquement pour la conception de systèmes memristifs, d'une manière similaire au dopage des semi-conducteurs dans les technologies de l'information. "L'introduction d'atomes étrangers nous permet de contrôler la solubilité et les propriétés de transport des couches minces d'oxyde, " explique le Dr Christian Neumann du groupe technologique Heraeus. Il apporte son expertise des matériaux au projet depuis que l'idée initiale a été conçue en 2015.
"Dans les années récentes, il y a eu des progrès remarquables dans le développement et l'utilisation de dispositifs memristifs, cependant que des progrès ont souvent été réalisés sur une base purement empirique, " selon Valov. Grâce aux connaissances acquises par son équipe, les fabricants peuvent désormais développer méthodiquement des éléments memristifs en sélectionnant les fonctions dont ils ont besoin. Plus la concentration de dopage est élevée, plus la résistance des éléments change lentement à mesure que le nombre d'impulsions de tension entrantes augmente et diminue, et plus la résistance reste stable. "Cela signifie que nous avons trouvé un moyen de concevoir des types de synapses artificielles avec une excitabilité différente, " dit Valov.
Synapses, les connexions entre les neurones, ont la capacité de transmettre des signaux avec divers degrés de force lorsqu'ils sont excités par une succession rapide d'impulsions électriques. Un effet de cette activité répétée est d'augmenter la concentration d'ions calcium, avec pour résultat que plus de neurotransmetteurs sont émis. Selon l'activité, d'autres effets provoquent des changements structurels à long terme, qui impactent la force de la transmission pendant plusieurs heures, ou potentiellement même pour le reste de la vie de la personne. Les éléments memristifs permettent de modifier la force de la transmission électrique d'une manière similaire aux connexions synaptiques, en appliquant une tension. Dans les cellules de métallisation électrochimique (ECM), un filament métallique se développe entre les deux électrodes métalliques, augmentant ainsi la conductivité. L'application d'impulsions de tension avec une polarité inversée provoque le rétrécissement du filament jusqu'à ce que la cellule atteigne son état initial de haute résistance. Crédit :Forschungszentrum Jülich/Tobias Schloesser
Spécification de conception pour les synapses artificielles
La capacité du cerveau à apprendre et à retenir des informations peut être largement attribuée au fait que les connexions entre les neurones sont renforcées lorsqu'ils sont fréquemment utilisés. Dispositifs memristifs, dont il existe différents types tels que les cellules de métallisation électrochimique (ECM) ou les cellules de mémoire à changement de valence (VCM), se comporter de la même manière. Lorsque ces composants sont utilisés, la conductivité augmente à mesure que le nombre d'impulsions de tension entrantes augmente. Les changements peuvent également être inversés en appliquant des impulsions de tension de polarité opposée.
Les chercheurs de JARA ont mené leurs expériences systématiques sur les ECM, qui se composent d'une électrode en cuivre, une électrode de platine et une couche de dioxyde de silicium entre eux. Grâce à la coopération avec les chercheurs Heraeus, les scientifiques de JARA avaient accès à différents types de dioxyde de silicium :l'un d'une pureté de 99,999999 % - également appelé dioxyde de silicium 8N - et d'autres en contenant 100 à 10, 000 ppm (parties par million) d'atomes étrangers. Le verre dopé avec précision utilisé dans leurs expériences a été spécialement développé et fabriqué par le spécialiste du verre de quartz Heraeus Conamic, qui détient également le brevet de la procédure. Le cuivre et les protons ont agi comme dopants mobiles, tandis que l'aluminium et le gallium ont été utilisés comme dopage non volatil.
Un temps de commutation record confirme la théorie
Sur la base de leur série d'expériences, les chercheurs ont pu montrer que les temps de commutation de l'ECM changent à mesure que la quantité d'atomes dopants change. Si la couche de commutation est en dioxyde de silicium 8N, le composant memristif commute en seulement 1,4 nanoseconde. À ce jour, la valeur la plus rapide jamais mesurée pour les ECM était d'environ 10 nanosecondes. En dopant la couche d'oxyde des composants jusqu'à 10, 000 ppm d'atomes étrangers, le temps de commutation a été prolongé dans la plage des millisecondes.
"Nous pouvons également expliquer théoriquement nos résultats. Cela nous aide à comprendre les processus physico-chimiques à l'échelle nanométrique et à appliquer ces connaissances dans la pratique, " dit Valov. Sur la base de considérations théoriques généralement applicables et étayées par des résultats expérimentaux, il est convaincu que l'effet dopage/impureté se produit et peut être utilisé dans tous les types d'éléments memristifs.
