Происхождение стохастичности: ключ к безопасности и вычислениям нового поколения

Исследовательская группа из Университета Сунkyunkwan впервые установила, что резистивное переключение ионно-опосредованных волатильных мемристоров, перспективных полупроводниковых устройств будущего, обусловлено комбинированным механизмом, включающим множественные проводящие нити в сочетании с электротермическими эффектами.

Результаты исследования, опубликованные в журнале Advanced Functional Materials, возглавил профессор Чонг Хо Юн из Школы передовых материаловедческих наук и инженерии Университета Сунkyunkwan. В сотрудничестве с профессором Кёнгтэ Кимом из Департамента машиностроения Национального университета Инчхон и доктором Сунхуном Хуром из Корейского института науки и технологий (KIST), команда раскрыла фундаментальную природу стохастичности, присущей мемристорам, которая долгое время оставалась неясной.

Открытия обещают стать значительным шагом в разработке будущих вычислительных систем, включая генераторы истинно случайных чисел для информационной безопасности и архитектуры вероятностных вычислений.

Волатильные мемристоры, управляемые движением ионов, демонстрируют свойство, при котором проводящие нити из металлических ионов случайно формируются внутри устройства под действием напряжения и самопроизвольно растворяются при его снятии. Это внутренне стохастическое поведение делает такие устройства чрезвычайно привлекательными для применений, требующих случайности, таких как генераторы истинно случайных чисел (TRNG) для создания непредсказуемых ключей шифрования и системы вероятностных вычислений, способные эффективно решать сложные комбинаторные задачи.

Однако, поскольку наблюдать эти внутренние динамические процессы резистивного переключения в реальном времени крайне сложно, оптимальное проектирование устройств для максимального усиления стохастического поведения оставалось непростой задачей. Для преодоления этого ограничения исследовательская группа применила сканирующую тепловую микроскопию (SThM) – метод наношкального теплового анализа, позволяющий точно детектировать тепловые сигналы.

С помощью этой методики исследователям удалось напрямую измерить джоулево тепло, генерируемое во время событий резистивного переключения, с верхней поверхности мемристора. Измерения выявили повторяющееся появление и исчезновение множественных локализованных горячих точек, что предоставило убедительные доказательства того, что множество проводящих нитей одновременно конкурируют за проведение тока, в то время как ионы непрерывно перераспределяются внутри устройства.

Кроме того, команда исследователей разработала бимодальный генератор истинно случайных чисел, способный генерировать как цифровые, так и аналоговые случайные числа. Они также успешно продемонстрировали последовательность шифрования и дешифрования данных с использованием сгенерированных случайных чисел в качестве ключей шифрования. Более того, исследователи продемонстрировали потенциал вероятностных вычислений, выполнив обратную операцию схемы бинарного полного сумматора, что иллюстрирует возможность расширения этой технологии для вычислений следующего поколения.

Профессор Чонг Хо Юн из Университета Сунkyunkwan отметил: «Данное исследование выходит за рамки традиционного упрощенного представления о резистивном переключении мемристоров как о процессе формирования и разрыва единичной нити. Вместо этого оно раскрывает сложную взаимосвязь между многофиламентарной динамикой и электротермическими эффектами. В дальнейшем мы стремимся достичь мирового технологического лидерства в области стохастических и вероятностно-ориентированных интеллектуальных полупроводниковых систем, разрабатывая практические приложения на основе этих устройств».