Разработка элементов реконфигурируемого искусственного нейрона на основе смешанного оксида гафния-циркония

В последние годы успех внедрения нейросетевых алгоритмов в повседневную жизнь очевиден, однако он обеспечивается в основном разработкой программных средств. Форсировать дальнейшее масштабирование технологии можно при условии создания специализированного аппаратного обеспечения, способного ускорять исполнение алгоритмов по сравнению с программной эмуляцией нейросети и существенно сократить энергопотребление для реализации на автономных устройствах без необходимости обращения к удаленным серверам. Для этого необходимо создание элементной базы электронных устройств нового типа, в которых эмуляция функционала нейронов и синапсов осуществляется на физическом уровне. С момента экспериментальной демонстрации мемристоров (резисторов с памятью) в 2008 году разработки электронных синапсов, которые с высокой эффективностью могут эмулироваться мемристорами, ведутся достаточно активно. Однако, количество работ, демонстрирующих электронные нейроны, значительно меньше, и в большинстве работ по электронным синапсам функции нейронов реализуются при помощи внешних генераторов, ПЛИС и т.п.. Значимой преградой на пути создания искусственных нейронов и их интеграции с электронными синапсами является сложность эмуляции нейронного поведения на физическом уровне. Простейшей моделью нейрона является модель "интегрировать-и-сработать с утечкой" (leaky integrate-and-fire, LIF). Она состоит из конденсатора, накапливающего заряд от входных импульсов ("спайков"), порогового переключателя, реализующего механизм выстреливания спайка при превышении порогового напряжения на конденсаторе, и резистора, обеспечивающего стекание заряда в случае, когда порог не был превышен. Для аппаратной реализации LIF-нейрона исследователи обычно концентрируются на разработке порогового переключателя, а емкость и сопротивление или подключаются снаружи, или содержатся в самом устройстве в виде паразитных вкладов (в этом случае их значения фиксированы). В данном проекте предлагается разработать элементы электронного нейрона, пригодные к интеграции в компактное устройство на одной кремниевой подложке, значениями параметров которых можно управлять для изменения режима его работы. Этого предлагается достичь через создание мемконденсатора (конденсатора с памятью) и порогового переключателя на основе одного материала - глубоко интегрированного в микроэлектронную технологию Hf0.5Zr0.5O2 (HZO). Данный материал в виде пленки толщиной около 10 нм проявляет сегнетоэлектрические (СЭ) свойства. Это планируется использовать в структуре металл/СЭ/металл/диэлектрик/сильно легированный полупроводник (п/п) для модуляции ширины слоя пространственного заряда в полупроводнике, экранирующего остаточную поляризацию СЭ. При переключении направления поляризации СЭ, из-за недостатка носителей заряда одного знака в п/п, емкость всего устройства может изменяться в достаточно широком диапазоне, что позволит подстраивать значение мембранной емкости LIF-нейрона и на лету изменять режим его работы под различные задачи. Для интегрирования мемконденсатора в единый нейрон необходимо также разработать пороговый переключатель, структура которого близка к описанной структуре мемконденсатора. Решением данной проблемы является изготовление вставок Ag в форме тонкой пленки или нанокластеров между слоем СЭ и верхним электродом. Такое решение часто практикуется в мемристорах на основе HfO2, однако в случае HZO необходимо адаптировать работу устройства под сравнительно высокую толщину в 10 нм и исследовать взаимовлияние миграции ионов Ag и процесса переключения поляризации, происходящих при сопоставимых напряжениях, что на сегодня еще не было исследовано. Мемконденсаторы предложенной структуры на основе HZO также еще не были продемонстрированы, как и возможность подстройки режима работы электронного нейрона на лету через модуляцию его мембранной емкости. Таким образом, выполнение данного проекта может быть значимым шагом вперед на пути к созданию энергоэффективных нейроморфных процессоров.