Мемтранзисторы: новые возможности для нейросетей

Исследователи из Национального университета Сингапура (NUS) успешно создали сверхтонкие массивы мемтранзисторов на основе двумерных (2D) дихалькогенидов переходных металлов (TMDC). Эти устройства обладают контролируемыми шоттки-барьерами, демонстрируют высокую однородность с минимальными вариациями между компонентами и обеспечивают высокую производительность в задачах распознавания изображений.

Мемтранзисторы объединяют функции хранения данных и обработки сигналов в одном устройстве, что делает их перспективными для создания компактных и энергоэффективных нейроморфных вычислительных систем. Однако для практической реализации искусственных нейронных сетей (ANN) требуются большие массивы таких устройств, при этом достижение высокого соотношения сопротивления при переключении, стабильной работы компонентов и масштабируемости остается сложной задачей.

В 2D TMDC-материалах случайные дефекты кристаллической решетки часто приводят к неоднородности устройств и затрудняют их масштабирование. Дополнительно, неравномерная миграция вакансий усугубляет вариативность между компонентами и снижает выход годных изделий. Эти факторы затрудняют понимание механизмов переключения и вносят значительные погрешности в производительность всего массива.

Команда под руководством профессора Чен Вея из Департамента физики и Департамента химии NUS разработала сверхтонкие массивы мемтранзисторов на основе дисульфида молибдена (MoS2) с длиной канала 500 нм. Им удалось добиться точной модуляции шоттки-барьеров.

Тщательно обрабатывая отдельные участки кислородом, исследователи контролируемо создали небольшое количество серных вакансий. Это позволило им тонко настроить контактные барьеры, обеспечив точный и предсказуемый поток электрического тока через устройства. Исследование проводилось в сотрудничестве с доктором Цзинь Тэньюй из Шанхайского университета, Китай.

Изготовленные мемтранзисторы четко переключаются между состояниями "включено" и "выключено", изменяя электрический ток примерно в 10 000 раз, а с модуляцией затвора — до 100 000 раз. Массивы также отличаются очень малыми размерами: длина канала каждого устройства составляет 500 нм, а размер ячейки — всего 4,65 F².

Устройства продемонстрировали стабильную работу по всему массиву с вариативностью менее 6,8% между компонентами, а выход годных изделий достиг 100%, что свидетельствует о высокой однородности и надежности. При использовании этих чипов для построения искусственной нейронной сети для задач распознавания изображений, точность распознавания и классификации достигала более 98%.

Доктор Хоу Сянъюй, один из авторов исследования, отметил: "Данный подход к изготовлению мемтранзисторов также применим к механически расслоенному дисульфиду молибдена и дителлуриду молибдена, что указывает на универсальность стратегии для создания 2D TMDC мемтранзисторов".

Профессор Чен добавил: "В будущем интеграция этого подхода с передовыми методами производства, многослойной укладкой или гибридными CMOS-2D архитектурами может дополнительно повысить производительность устройств и обеспечить создание крупномасштабных, энергоэффективных ИИ-ускорителей".