Введение к работе
Актуальность работы
В последние несколько десятилетий идеи создания высокоэффективных биоподобных процессоров обретают все большую реальность в прикладных исследованиях. Иными словами, большой интерес в научной среде вызывает проблема искусственного аналога мозга, т.е. создание систем, способных к обучению, накоплению опыта, анализу и классификации независимой информации. Однако колоссальная сложность строения даже самого простого мозга все еще создает значительный барьер для аппаратной реализации подобных идей. Поэтому большинство текущих исследований, помимо теоретического моделирования и симуляций, направлены на создание и характеризацию отдельных компонентов, которые, как ожидается, функционально будут имитировать поведение нейронов и синапсов -основных компонентов нервной системы. В свою очередь, цепи или сложные системы, сформированные из таких компонентов, будут обладать адаптивным (перестраиваемым) поведением.
Ожидается, что подобная задача может быть решена в рамках бурно развивающегося в последние годы направления, по созданию и применению мемристоров. Свойства данного класса электронных элементов необычны и во многом уникальны. Мемристор двухэлектродный элемент, который может быть рассмотрен как резистор с памятью, обладает способностью изменять свою проводимость в зависимости от предыдущего функционирования, то есть истории его участия в процессе передачи сигнала в цепи, что делает этот элемент привлекательным для решения выше обозначенной задачи. Другими словами, такой элемент можно рассматривать как прямой искусственный аналог синапса, необходимый для создания цепей, позволяющих обучение по правилу Хебба [1]. Важно отметить, что мемристор, как и положено синапсу, является двухэлектродным элементом, в отличие от наиболее часто используемых в электронике трехэлектродных активных приборов, что позволит существенно упростить проектирование электронных цепей.
Однако существует дополнительное разделение, основанное на различии технологических приемов, методов и материалов, применяемых для создания мемристоров, а также предполагаемых областей их применения. В настоящее время достаточно хорошо развита технология реализации мемристоров на основе неорганических
материалов (оксидов металлов). Предполагается, что неорганические мемристоры будут основой для создания нового типа памяти. Другим, наиболее интересным и перспективным направлением в данной области исследований является разработка мемристоров на основе органических материалов, принцип работы которых основан на изменении свойств активной среды вследствие протекающих в ней окислительно-восстановительных реакций. Непосредственный интерес к органическим мемристорам связан с тем, что применение органических материалов априори приближает исследователей к реализации глобальной идеи создания искусственного интеллекта на аппаратном уровне, поскольку структура и организация такого устройства будет отчасти соответствовать живым организмам, которые, как известно, полностью состоят из органических материалов, а в основе их функционирования лежат окислительно-восстановительные реакции (ОВР).
Следует отметить, что успешное проведение исследований в данной области, требует координированного объединения усилий исследователей из разных областей науки, что в конечном результате может привести к созданию новой отрасли науки. К тому же, если говорить о применении органических мемристоров в качестве реальных моделей, а именно, систем для имитации и изучения процессов, происходящих в мозге живых организмов, то это позволит значительно уменьшить количество экспериментов над животными.
Однако помимо активно ведущихся в течение последних пяти лет исследований и достигнутых результатов, оригинальные работы, связанные с реализацией, изучением и применением мемристоров практически отсутствуют в российских научно-исследовательских источниках. В России данная область исследований находится только в самом начале её развития. Отставание в ещё только формирующейся и наукоемкой области далеко не столь значительно, как в случае традиционной кремниевой электроники. В связи с этим, актуальность исследований, направленных на изучение свойств мемристоров на основе органических полимерных материалов и создание нейроморфических систем на их основе, представляется несомненной.
Цель работы и задачи
Целью данной диссертационной работы являлось исследование возможности реализации мемристорных структур, обладающих синаптическими свойствами, а также способных к выполнению задач
параллельной обработки информации, включая обучение и принятие решений, на основе полимерных материалов и сложных самоорганизующихся матриц.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
Провести обоснование материалов и компонентов, разработать оптимальную конструкцию элемента в зависимости от решаемых задач;
Рассмотреть некоторые возможные способы модернизации элемента с целью создания искусственных аналогов отдельных компонентов нейросети, а также улучшения функциональности в целом;
Разработать и экспериментально реализовать самоорганизующиеся структуры на основе композитного материала, а также формирование наведенных связей в сети статистически образованных и распределенных в объеме полученного материала мемристорных структур;
Продемонстрировать возможность применения органических мемристорных структур для задач по ассоциативному обучению и классификации объектов.
Научная новизна
-
Получен элемент на основе полимерных материалов обладающий свойством мемристивности;
-
Получены данные о петле гистерезиса в вольтамперных характеристиках в зависимости от скорости изменения напряжения, что является неотъемлемым свойством для устройств, претендующих на наименование «мемристорные устройства»;
-
Показана взаимосвязь с биологическими системами: продемонстрирована имитация синаптической активности (пластичность изменения проводимости, признаки обучаемости) в реальных структурах;
-
Выявлена возможность генерации автоколебаний сигнала в заданных условиях, по аналогии с реальными системами на основе нейронных цепей;
-
Показана возможность применения метода Ленгмюра-Шефера для решения задачи «расправления» графеновых листов и переноса их на подложку в достаточно планарном виде, а также для интеграции графенов в структуру рабочего канала органического мемристора;
-
Предложена реализация нелинейного элемента, действующего подобно телу нейрона, на основе композитного материала полианилин-наночастицы золота;
-
Предложен и осуществлен технологический подход «снизу-вверх» для самоорганизации взаимосвязанных и статистически распределенных мемристорных структур, на основе разделения микро-фаз композитного материала;
-
Разработана и экспериментально реализована концепция обучения органических мемристорных структур.
Достоверность научных положений, результатов и выводов
Полученные экспериментальные результаты и разработанные методики подтверждаются известными теоретическими моделями. Опубликованные результаты согласуются и существенно дополняют экспериментальные результаты других авторов.
Теоретическая значимость исследования состоит в подготовке научного базиса для формирования новой области исследований, представляющей непосредственный интерес для широкого круга исследователей, а именно, химиков и материаловедов, физиков, математиков, нейробиологов. Основные положения и выводы, содержащиеся в диссертации, могут быть использованы при дальнейшем развитии теории мемристорных структур на основе полимерных материалов в условиях микроэлектронной технологии.
Практическая значимость исследования состоит в том, что полученные результаты могут быть применены в процессе создания новой элементной базы органической наноэлектроники. Дальнейшие разработки в данной области могут привести к реализации принципиально новых компьютерных систем, предрасположенных к обучению, параллельной обработке информации и самостоятельному принятию решений. Кроме того, результаты исследования могут быть использованы в преподавании курсов «Основы наноэлектроники».
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Реализованные мемристорные элементы на основе органических материалов и сложных композитов могут выполнять функции отдельных узлов перестраиваемых (адаптивных) цепей;
-
Применение метода Ленгмюра-Шефера для нанесения графенов на подложку, позволяет получить графеновые «листы», пригодные
для формирования высокопроводящих планарных каналов внутри систем и структур нанометровой толщины;
-
В композитной матрице полианилин-сополимер-наночастицы золота, за счет процессов самоорганизации, могут быть сформированы молекулярные каналы проводимости, обеспечивающие параллельность процессов обработки информации;
-
Предложенная концепция обучения, основанная на двух различных протоколах (последовательном и параллельном), позволяет применять органические мемристорные элементы для решения задач по ассоциации и классификации объектов.
Личный вклад автора
Концепция диссертации, формулирование цели и постановка решенных в ней задач отражают творческий вклад автора и его точку зрения на рассматриваемую проблему. Основные результаты диссертации, представленные в работе, получены автором лично, либо в соавторстве при его непосредственном участии. Во всех совместных работах автор участвовал в постановке задач, разработке методик исследования и технологических подходов, проведении экспериментов, анализе результатов, написании статей, а также представлял результаты исследований на научно-технических конференциях.
Апробация работы
Материалы диссертации были представлены на следующих конференциях и семинарах:
S 12th European Conference on Organized Films (Sheffield, UK, 2011); S The European Future Technologies Conference and Exhibition (FET11)
(Budapest, Hungary, 2011); S 152-й научный семинар Института кристаллографии РАН
«Ленгмюровские пленки и ансамбли амфифильных молекул»
(Москва, Россия, 2012); S XIX всероссийская межвузовская научно-техническая
конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и
информатика - 2012» (Москва, Россия, 2012).
Публикации
Основные результаты исследования, проведенного автором, изложены в 8 опубликованных работах, из них 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК России. Также соискатель является соавтором
26 работ и 1 патента РФ, косвенно относящихся к тематике вынесенных на защиту положений.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных литературных источников и приложения. В приложении приведены акты об использовании результатов диссертационной работы. Материал диссертации изложен на 126 страницах машинописного текста, включает 62 рисунка и 7 таблиц. Список литературы содержит 85 источников.
