КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-79-10215
НазваниеСинаптические мемристивные структуры для аппаратной реализации нейроморфных систем робототехнических комплексов
РуководительАвилов Вадим Игоревич, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет", Ростовская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2025 |
Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-709 - Нанотранзисторы и другие наноэлектронные приборы элементной базы информационных систем
Ключевые словананотехнологии, наноматериалы, электрохимические оксиды, мемристоры, искусственные синапсы, нейронная сеть, искусственный интеллект, робототехника
Код ГРНТИ47.09.48
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Одним из направлений развития современной электроники является изготовление нейроморфных устройств, нейросетей и систем искусственного интеллекта для робототехнического применения, повторяющих принципы работы человеческого мозга, в котором передача информации осуществляется через синапс. Для реализации искусственных синапсов в электронике могут использоваться мемристоры, способные переключаться между различными состояниями и обеспечивать операции обучения и функционирования таких устройств. Способность мемристоров переключаться в широком диапазоне значений позволит применять более тонкую настройку "веса" искусственного синапса, по сравнению с синапсом, реализованным на основе транзисторов.
В настоящее время формированию и исследованию мемристоров уделяется огромное внимание в научном сообществе. Выделяют несколько различных групп материалов, проявляющих эффект мемристивного переключения, среди которых выделяются электрохимические оксиды, поскольку в процессе их синтеза происходит генерация кислородных вакансий, обеспечивающих переключение мемристора в процессе его функционирования. Кроме того, мемристоры на основе электрохимических оксидов обладают наилучшими показателями по скорости переключения, диапазону переключаемых состояний и воспроизводимости. Однако, в большинстве случаев, для экспериментальных исследований используются структуры высотой от 50 нм и с латеральными размерами 0,5 мкм и более, что в результате негативно сказывается на степени интеграции элементов на кристалле. Поэтому первой актуальной задачей проекта является формирование и исследование наноразмерных мемристоров на основе электрохимических оксидов высотой до 10 нм. Кроме того, анализ литературы показал, что в большинстве работ не затрагивается глубокий анализ физико-химических процессов резистивного переключения мемристора. Авторы только на словах описывают физико-химические процессы в объеме оксида, не приводя количественных характеристик или качественных оценок перемещения кислородных вакансий и соответствующих им мемристивным переключениям. Поэтому второй актуальной задачей проекта является экспериментальное исследование и теоретические расчеты физико-химических процессов в объеме оксидных наноструктур, приводящих к эффекту резистивного переключения. Другой актуальной задачей проекта является формирование и исследование параметров искусственных синапсов на основе электрохимического оксида, а также получение структуры нейронной сети на основе представленных искусственных синапсов.
Ожидаемые результаты
Данный проект направлен на решение такой задачи как разработка и формирование аппаратной реализации нейронных сетей, которую можно разделить на 3 последовательных блока, соответствующих годам реализации проекта: формирование мемристоров на основе электрохимического оксида титана и исследование их свойств; получение и исследование структур искусственных синапсов на основе изучаемых мемристоров; изготовление макета нейронной сети на основе искусственных синапсов, обучение и демонстрация его работы.
В рамках выполнения Проекта ожидается получение следующих результатов:
1 год:
1) Массивы мемристоров на основе наноразмерного электрохимического оксида титана;
2) Закономерности влияния размерных эффектов мемристоров на основные параметры резистивного переключения;
3) Воспроизводимость и временнная стабильность параметров резистивного переключения полученных массивов мемристоров;
4) Математическая модель процессов образования кислородных вакансий в объеме наноразмерного электрохимического оксида титана;
5) Программа ЭВМ для расчета распределения кислородных вакансий в объеме формируемого наноразмерного электрохимического оксида титана;
6) Теоретические закономерности влияния управляющих параметров процесса формирования наноразмерного электрохимического оксида титана на распределение кислородных вакансий в объеме оксида.
2 год:
1) Структуры искусственных синапсов на основе мемристоров;
2) Параметры многоуровневого переключения полученных структур;
3) Результаты влияния материалов верхнего электрода на параметры резистивного переключения искусственных синапсов;
4) Температурная стабильность искусственных синапсов;
5) Математическая модель процессов перемещения кислородных вакансий в объеме наноразмерного электрохимического оксида титана;
6) Программа ЭВМ для расчета перемещения кислородных вакансий в объеме наноразмерного электрохимического оксида титана;
7) Теоретические закономерности перемещения кислородных вакансий в объеме оксида титана в процессе резистивного переключения мемристора.
3 год:
1) Топология нейронной сети на основе разработанных искусственных синапсов;
2) Макет однослойной нейронной сети на основе искусственных синапсов;
3) Алгоритм обучения разработанной структуры нейронной сети;
4) Обученная нейронная сеть, способная выполнять задачу классификации.
5) Воспроизводимость и стабильность работы разработанного макета нейронной сети.
Предполагаемые результаты будут превосходить мировой уровень как в сфере формирования мемристоров на основе наноразмерного электрохимического оксида титана, так и в сфере изготовления компонентной базы нейроэлектроники. Ожидаемые результаты могут быть использованы при разработке технологических основ изготовления нейронных процессоров и архитектур искусственного интеллекта.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
На первом году проекта были поставлены и решены задачи разработки и изготовления кроссбар-массивов 4×4 мемристоров на основе электрохимического окисления и исследования закономерностей их резистивного переключения. Была разработана математическая модель и программа ЭВМ для расчета распределения химического состава и кислородных вакансий в объеме формируемой наноструктуры электрохимического оксида титана и проведены соответствующие расчеты.
1. Созданы массивы мемристоров на основе наноразмерного электрохимического оксида титана на поверхности тонкой пленки титана в виде кроссбар-массива из 16 мемристоров Ti/TiO2/Cu, расположенных между нижними контактными электродами шириной 1,1 мкм и верхними контактными электродами шириной 3,6 мкм.
2. Получены мемристоры на основе оксида титана толщиной с 4,5±0,7 до 7,9±0,3 нм и латеральными размерами 400×400 нм2 путем зондовой нанолитографии при приложении импульсов напряжения от 6 до 9 В. Исследования полученных структур показало, что увеличение толщины оксида приводит к увеличению напряжения переключения в состояние с низким сопротивлением (LRS) U_SET с 2,67±0,42 до 9,72±0,61 В, и в состояние с высоким сопротивлением (HRS) U_RESET с 2,49±0,65 до 7,26±0,88 В, и тока I_SET от 1,61±0,27 до 0,16±0,02 нА, и I_RESET от 1,78±0,24 до 0,14±0,03 нА.
Увеличение толщины структуры с 4,5±0,7 до 7,9±0,3 нм приводит к увеличению сопротивления в состоянии HRS примерно в 10 раз с 3,4×10^11 до 28,1×10^11 Ом, а также к увеличению сопротивления в состоянии LRS примерно в 20 раз от 1,4×10^9 до 263,6×10^9 Ом. Это приводит к снижению отношения R_HRS/R_LRS с 243±35 до 11±4.
3. Получены вольтамперные характеристики всех элементов массива мемристоров и вольтамперные характеристики многократно полученные на отдельном мемристоре. Анализ полученных изображений показал, что изготовленные структуры проявляют воспроизводимое резистивное переключение между состояниями HRS и LRS на протяжении 100 000 циклов переключения. Полученные состояния сохраняются на протяжении 10 000 секунд.
4. Разработана математическая модель, описывающая физико-химические процессы образования кислородных вакансий в объеме наноразмерного электрохимического оксида титана. Получена система дифференциальных уравнений для распределения электрического потенциала и концентрации ионов кислорода в системе зонд-подложка и рассчитана скорость роста оксида, а также соотношение высоты и глубины оксида относительно уровня поверхности.
5. На основе математической модели разработана программа ЭВМ в программном пакете MATLAB с использованием модуля «Partial differential equation» для расчета распределения кислородных вакансий в объеме формируемого наноразмерного электрохимического оксида титана.
6. Проведены расчеты распределения кислородных вакансий в объеме наноразмерного электрохимического оксида титана при различных технологических режимах формирования наноразмерного электрохимического оксида титана. Показано влияние амплитуды и длительности импульсов приложенного напряжения на химический состав и образование кислородных вакансий в объеме формируемого оксида. Из полученных результатов также видно, что при больших значениях толщины оксида концентрация вакансий вблизи границы оксид/воздух в центральной области выше, чем на периферии, и из кислородных вакансий формируется канал проводимости.
7. Опубликованы и направлены в печать 2 статьи.
1. Avilov V.I, Vakulov Z.E., Fedotov A.A., Tominov R.V., Polupanov N.V., Smirnov V.A. Forming-free titanium oxide neuromorphic crossbar array for robotics and AI systems // Proceedings - 6th Scientific School "Dynamics of Complex Networks and their Applications", DCNA 2022, 2022, pp. 27–30. Индексируется в Scopus. https://doi.org/10.1109/DCNA56428.2022.9923309
2. Avilov V.I., Tominov R.V., Vakulov Z.E., Zhavoronkov L.G., Smirnov V.A. Titanium oxide artificial synaptic device: Nanostructure modeling and synthesis, memristive cross-bar fabrication, and resistive switching investigation // Nano Research, 2023. Индексируется в WoS, Scopus. Журнал Q1, импакт-фактор 10.005. https://doi.org/10.1007/s12274-023-5639-5
Публикации
1. Авилов В.И. Томинов Р.В., Вакулов З.Е., Жаворонков Л.Г., Смирнов В.А. Titanium oxide artificial synaptic device: Nanostructure modeling and synthesis, memristive cross-bar fabrication, and resistive switching investigation Nano Research, Nano Res. (2023). (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1007/s12274-023-5639-5
2. Авилов В.И., Вакулов З.Е., Федотов А.А., Томинов Р.В., Полупанов Н.В. Смирнов В.А. Forming-free titanium oxide neuromorphic crossbar array for robotics and AI systems Proceedings - 6th Scientific School "Dynamics of Complex Networks and their Applications", DCNA 2022, Proceedings - 6th Scientific School "Dynamics of Complex Networks and their Applications", DCNA 2022 с. 27-30, 2022 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1109/DCNA56428.2022.9923309
3. Авилов В.И., Жаворонков Л.Г., Полупанов Н.В., Хахулин Д.А., Смирнов В.А. Синаптические устройства для нейроморфных систем робототехнических комплексов Материалы XVIII Всероссийской научно-практической конференции "Перспективные системы и задачи управления", Материалы XVIII Всероссийской научно-практической конференции, 2023, стр. 169-173 (год публикации - 2023)