Ηλεκτρονικές διατάξεις νανοσωματιδίων
Authors: Σακελλαρόπουλος Διονύσιος 
Published: May 2021

Τα τελευταία χρόνια έχει καταστεί σαφής η ανάγκη ανάδειξης νέων υπολογιστικών αρχιτεκτονικών πέραν της καθιερωμένης von Neumann αρχιτεκτονικής κυρίως λόγω του μεγάλου όγκου νέων δεδομένων που απαιτείται να αναλυθούν και επεξεργαστούν σε σύντομο χρονικό διάστημα. Προς αυτή την κατεύθυνση οι υλοποιήσεις νευρομορφικών υπολογιστικών συστημάτων φαίνεται πως προσφέρουν αυξημένη απόδοση και ακρίβεια στους υπολογισμούς. Τέτοιες υλοποιήσεις που χρησιμοποιούν μνήμες εναλλαγής αντίστασης (ReRAM) ως το συνδετικό κρίκο με τα βιολογικά ισοδύναμα στοιχεία (συνάψεις/νευρώνες) έχουν αποτελέσει αντικείμενο ενδελεχούς έρευνας τα τελευταία χρόνια. Οι εν λόγω διατάξεις φαίνεται πως, πέραν της απροβλημάτιστης συμβατότητάς τους με τις CMOS τεχνικές, έχουν τη δυνατότητα και να λειτουργούν απλά ως μη-πτητικές μνήμες και να αποθηκεύουν πολλαπλά bit πληροφορίας, αλλά και να συγκροτούν τα μέσα υλοποίησης τεχνικών μηχανικής μάθησης σε νευρομορφικές διατάξεις. Η εν λόγω τεχνολογία μνήμης, που αποτέλεσε και το αντικείμενο έρευνας της συγκεκριμένης διατριβής, μπορεί και μιμείται βάσει της διαδικασίας ανάπτυξης και ρήξης του αγώγιμου δρόμου τον τρόπο με τον οποίο γίνονται και οι μεταβολές της συναπτικής ισχύος στις βιολογικές συνάψεις. Έχοντας, λοιπόν, αυτό ως κύριο μέλημα, εγείρεται πληθώρα ζητημάτων, όπως η στοχαστικότητα του φαινομένου εναλλαγής και η στατιστική διακύμανση των αποτελεσμάτων, η χαμηλή κατανάλωση ισχύος και η μεγιστοποίηση του παραθύρου μνήμης. Καταλαβαίνει κανείς πως σε μία υψηλής πυκνότητας νευρομορφική υλοποίηση τέτοια ζητήματα, ειδικά ισχύος, είναι ζωτικής σημασίας. Προς αυτή την κατεύθυνση και διερευνώντας και τις δύο υποκατηγορίες των ReRAM, δηλαδή τις μνήμες αλλαγής σθένους (VCM) και αγώγιμης γέφυρας (CBRAM), έγινε προσπάθεια βελτιστοποίησης της λειτουργίας των νανοδιατάξεων μνήμης ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν απρόσκοπτα σε πυκνές crossbar δομές.Χρησιμοποιήθηκε ποικιλία υλικών για να διερευνηθεί η επίδραση των πολύπλοκων παραμέτρων εναπόθεσης στην ηλεκτρική απόδοση των νανοδιατάξεων μνήμης, εστιάζοντας κυρίως στο οξείδιο του τιτανίου (TiOx), το οξείδιο του αφνίου (HfOx), το οξείδιο του ταντάλου (TaOx) και το διοξείδιο του πυριτίου (SiO2). Η χρήση πολλαπλών στρωμάτων ενεργού υλικού μέσα σε μια διάταξη VCM διερευνήθηκε ως τρόπος επίτευξης όχι μόνο χαμηλής στατιστικής διακύμανσης και μείωσης των ρευμάτων λειτουργίας, αλλά και ενίσχυσης των συναπτικών ιδιοτήτων. Αυτό επιτυγχάνεται με εναπόθεση διηλεκτρικών στρωμάτων χαμηλής, αλλά και υψηλής, περιεκτικότητας σε οξυγόνο, με τα πρώτα να ενεργούν ως αντιστάσεις σειράς και να μειώνουν την καταναλισκόμενη ισχύ. Κατά συνέπεια, το φαινόμενο εναλλαγής αντίστασης περιορίζεται σε μικρότερο όγκο οξειδίου εναλλαγής, δηλαδή το στρώμα με την υψηλότερη συγκέντρωση οξυγόνου, βελτιώνοντας, συνεπώς, τη στατιστική διακύμανση. Επιπλέον, με την ενσωμάτωση μεταλλικών νανοκρυστάλλων (NCs) εντός της διηλεκτρικής μήτρας καθίσταται δυνατή η τοπική ενίσχυση του ηλεκτρικού πεδίου, αυξάνοντας έτσι την δυνατή διάμετρο ενός αγώγιμου δρόμου (CF). Αυτό με τη σειρά του μπορεί να οδηγήσει σε μεγαλύτερα παράθυρα μνήμης, ακόμη και υπό συνθήκες χαμηλής πόλωσης. Η ενίσχυση του ηλεκτρικού πεδίου είναι, επίσης, ένας βασικός παράγοντας περιορισμού των πιθανών δρόμων διήθησης, όπου λαμβάνει χώρα το φαινόμενο εναλλαγής αντίστασης.Η χρήση του SiO2 ως στρώμα εναλλαγής σε διατάξεις CBRAM ανέδειξε πληθώρα ιδιοτήτων και από άποψη λειτουργίας μνήμης, αλλά και από συναπτικής απόψεως. Απαιτούνται πολύ μικρές τάσεις σάρωσης (< 500 mV) για εμφάνιση του φαινομένου εναλλαγής με αρκετά μεγάλα παράθυρα μνήμης και καμία ανάγκη ηλεκτροδιαμόρφωσης της διάταξης. Στη σύγκριση μεταξύ των δύο ηλεκτροχημικά ενεργών Ag και Cu άνω ηλεκτροδίων φάνηκε πως η διαφορά στο σημείο τήξης των σχηματισμένων νανοσυστάδων μεταλλικών ιόντων που απαρτίζουν το CF αποτελεί τη βάση του φαινομένου εναλλαγής κατωφλίου (threshold switching). Η φύση της διάχυσης των μετακινούμενων ιόντων και η δυναμική του σχηματισμού/ρήξης του CF ανέδειξε την ικανότητα διαμόρφωσης της αγωγιμότητας της διάταξης υπό διέγερση με παλμούς ίδιας πολικότητας, αλλά διαφορετικού ύψους. Η είσοδος νανοκρυστάλλων Ag/Cu ακριβώς κάτω από το πάνω ηλεκτρόδιο Ag/Cu έδειξε πως περιορίζει κάπως τη μετακίνηση των μεταλλικών ιόντων στον ενδιάμεσο χώρο μεταξύ των NCs με αποτέλεσμα την ανάγκη για μεγαλύτερες τάσεις μετάβασης και σάρωσης. Επιπροσθέτως, όντας το ίδιο ηλεκτροχημικά ενεργό υλικό με το άνω ηλεκτρόδιο είναι λογικό μετά από κάποιους κύκλους σάρωσης να παρατηρείται κάποια διακύμανση στα αποτελέσματα. Επιπλέον, η εισαγωγή Pt NCs βελτίωσε περαιτέρω τη στατιστική διακύμανση και περιόρισε χωρικά την τυχαία εξέλιξη των CFs καθιστώντας ταυτόχρονα δυνατή τη ρύθμιση της διαμέτρου του CF. Μέσα από αυτήν την έρευνα παρουσιάστηκαν δυνατότητες επίτευξης πολλαπλών σταθμών αντίστασης (multibit) χαμηλής ισχύος, και παράλληλα πιο απότομες μεταβάσεις λόγω του χωρικού περιορισμού της εξέλιξης του CF, αναδεικνύοντας την διαφορετική δυναμική εξέλιξης των νανονημάτων αργύρου υπό την παρουσία μεταλλικών NCs και τον ευεργετικό αντίκτυπό του στη λειτουργία της διάταξης.Η διεξοδική διερεύνηση της συναπτικής απόδοσης σε όλες περιπτώσεις έδειξε πως η αξιοποίηση των εν λόγω διατάξεων μνήμης σε νευρομορφικές υλοποιήσεις υψηλής πυκνότητας έχει μεγάλες προοπτικές. Οι προτεινόμενες βελτιστοποιήσεις της εν λόγω διατριβής δύναται να οδηγήσουν σε υψηλής απόδοσης νευρωνικά δίκτυα αξιοποιώντας παράλληλα την πληθώρα συναπτικών ιδιοτήτων που επιδεικνύουν οι συγκεκριμένες διατάξεις, αλλά και την εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση ισχύος ανά συναπτικό γεγονός που παρατηρήθηκε.