Этот материал ведет себя подобно нейронам в человеческом мозге
Диоксид ванадия (VO2) — это соединение, широко используемое в электронике, поскольку оно способно проводить электричество практически без теплопередачи. По совпадению, швейцарские исследователи обнаружили, что этот материал способен «помнить», подобно человеческому мозгу, всю историю предыдущих внешних стимулов, хотя у него отсутствует структура мозга. Это первый материал, идентифицированный как обладающий таким свойством, хотя могут существовать и другие. Это открытие имеет значение, в частности, для обработки и хранения данных в электронике, а также для искусственного интеллекта.
Диоксид ванадия (VO2) изучается уже несколько лет с целью преодоления ограничений кремния как полупроводника и разработки новых электронных устройств с низким энергопотреблением. Одна из основных характеристик нового материала заключается в том, что он является изоляционным при комнатной температуре и становится проводящим, когда температура превышает 68 °C. Это явление известно как переключение фаз.
Хотя электронные свойства диоксида ванадия известны уже давно, их объяснение появилось только в 2018 году. При повышении температуры происходит реорганизация атомов в материале. В холодном состоянии он кристаллический, а при достижении температуры 68 °C становится металлическим. Преимуществом является то, что этот переход происходит чрезвычайно быстро. Более того, добавление германия к диоксиду ванадия в электронных схемах позволяет повысить температуру фазового перехода более чем до 100 °C.
Недавно группа исследователей под руководством инженера-электрика Мохаммада Самизадеха Никоо из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) случайно обнаружила новое свойство. Диоксид ванадия способен «запоминать» всю историю предыдущих внешних раздражителей. Это первый материал, идентифицированный как обладающий таким свойством, хотя могут существовать и другие. Этот результат опубликован в журнале Nature Electronics.
Неожиданное и беспрецедентное открытие
Во время своего открытия Мохаммад Самизадех Никоо анализировал фазовые переходы диоксида ванадия в Лаборатории силовой электроники и высокопроизводительных исследований (POWERlab) EPFL, чтобы определить время, необходимое VO2 для перехода из изолятора в металл и наоборот.
С этой целью Мохаммад Самизаде Нику приложил электрический ток к образцу этого материала. В заявлении он объясняет «ток проходил через материал по определенному пути, пока не вышел на другую сторону«. Когда ток проходил через него, он нагревал VO2 и вызывал сдвиг фазы до тех пор, пока не выходил из материала. Как только ток проходил, последний возвращался в исходное состояние. Это известно как энергозависимая память.
Впоследствии Мохаммад Самизаде Никоо приложил к материалу второй импульс тока и обнаружил, что время, необходимое для изменения состояния, напрямую зависит от истории материала. Другими словами, материал реагировал быстрее, когда через него уже был пропущен электрический ток, как будто он «помнил первый фазовый переход и предвидел следующий».
Элисон Матиоли, руководитель лаборатории POWERlab, говорит: «Мы не ожидали увидеть такой эффект памяти, и он не имеет отношения к электронным состояниям, а скорее к физической структуре материала. Это новое открытие: ни один другой материал не ведет себя подобным образом«.
Кроме того, исследователи обнаружили, что диоксид ванадия способен запоминать последний внешний раздражитель на срок до трех часов. Еще более удивительно, что этот «эффект памяти» может сохраняться в течение нескольких дней. Однако Элисон Матиоли отмечает: «В настоящее время у нас нет необходимых инструментов для его измерения«.
Тем не менее это открытие будет иметь важные последствия для электроники и особенно для хранения данных, поскольку наблюдаемый эффект памяти является врожденным свойством самого материала. Действительно, эта непрерывная память, будучи структурной, де-факто не зависит от электронных состояний, в отличие от современных материалов, которые хранят данные в двоичной форме, связанной с этими электронными состояниями.
Другими словами, переключатели VO2, которые предвидят и активируют изменения в состоянии, ведут себя так же, как нейроны в мозге, которые служат одновременно блоком памяти и процессором. Названная нейроморфной технологией, вычисления, основанные на подобной системе, могут иметь реальное преимущество перед обычными микросхемами и печатными платами. Исследователи подтвердили свои результаты, применив новый метод к различным материалам в других лабораториях по всему миру.
Кроме того, инженеры полагаются на эту память для выполнения всевозможных расчетов. Кроме того, большим спросом пользуются материалы, претендующие на улучшение процесса вычислений за счет большей емкости, скорости и миниатюрности. Действительно, соединения металл-оксид-полупроводник являются строительными блоками современной электроники и могут обеспечивать различные функциональные возможности, помимо памяти. Однако технология сталкивается с ограничениями в плане миниатюрности и совместимости между компьютерными архитектурами. Манипулирование структурными, а не электронными состояниями может проложить путь к созданию сверхэволюционных функциональных устройств с низким энергопотреблением.
Например, по словам авторов, состояниями диоксида ванадия можно произвольно манипулировать на коротких временных шкалах и отслеживать их на несколько порядков во времени, от микросекунд до часов.
Авторы делают вывод, что эти устройства могут превзойти традиционную металлооксидно-полупроводниковую электронику по скорости, энергопотреблению и миниатюрности, а также обеспечить путь к нейроморфным вычислениям и многоуровневой памяти.