В МФТИ создали сегнетоэлектрическую память с ресурсом более 100 млн циклов перезаписи
Исследователи МФТИ сообщили о прорыве в разработке сегнетоэлектрической памяти: экспериментальные образцы выдержали более 100 млн циклов перезаписи — это на порядки выше типичных показателей флеш-памяти.
Речь идет о памяти на основе оксида гафния-циркония — материала, способного сохранять состояние без питания и работать в ультратонких пленках толщиной всего несколько нанометров. Такие структуры потенциально подходят для энергоэффективных вычислений и нейроморфных систем, где важна высокая плотность и скорость доступа к данным.
Ключевая проблема подобных решений — токи утечки, которые растут при уменьшении толщины пленки. Ученые выяснили, что основной вклад в утечки дают границы между кристаллическими зернами, где накапливаются заряды. Управляя размером зерен и технологией обработки, этот эффект удалось частично контролировать.
В ходе экспериментов команда создала модель, позволяющую прогнозировать деградацию памяти на годы вперед. Потеря данных связана с эффектом импринта — накоплением заряда внутри структуры, который со временем искажает поведение ячеек. Новая модель помогает подобрать оптимальное напряжение и режим работы еще на этапе проектирования.
Отдельно исследователи зафиксировали нетривиальный эффект: ультратонкие пленки (около 5 нм) показали рекордную выносливость — более 100 млн циклов, тогда как более толстые образцы деградировали быстрее. При этом толстые пленки лучше сохраняют данные в долгосрочной перспективе.
Фактически речь идет о компромиссе между ресурсом и надежностью хранения. Это позволяет подбирать параметры памяти под конкретные задачи: от медицинских имплантов, где важна стабильность, до ускорителей в искусственном интеллекте (ИИ) и систем обработки данных, где критична высокая частота перезаписи.
Работа формирует практическую основу для проектирования новой памяти — с возможностью заранее оценивать срок службы и поведение устройства в разных режимах. В перспективе такие решения могут использоваться в энергоэффективных дата-центрах и специализированных ИИ-чипах.
Сегнетоэлектрическая память (FRAM — Ferroelectric Random Access Memory) — это тип энергонезависимой оперативной памяти, который использует уникальные свойства сегнетоэлектрических материалов для хранения данных. В отличие от традиционных видов памяти (например, флеш-памяти), FRAM сочетает высокую скорость работы с низким энергопотреблением и способностью сохранять информацию без постоянного электропитания.
Принцип действия основан на способности сегнетоэлектриков сохранять поляризацию после снятия внешнего электрического поля. В кристаллической решётке такого материала возникают электрические диполи, которые выстраиваются по направлению приложенного поля.
Процесс записи: при подаче импульса напряжения определённой полярности диполи внутри сегнетоэлектрического слоя смещаются, ориентируясь в заданном направлении. Это состояние поляризации и кодирует логический «0» или «1».
Считывание: при подаче считывающего импульса происходит проверка текущего состояния поляризации. Важно, что сам процесс считывания может временно изменять состояние ячейки, поэтому для сохранения целостности данных требуется дополнительная регенерация.
Ключевое преимущество: поскольку состояние поляризации сохраняется и без поля, данные не нужно периодически восстанавливать.