Технология позволит разрабатывать компактные и энергоэффективные микросхемы с энергонезависимым хранением состояний в памяти, работающей на новых физических принципах. Такие интегральные схемы станут основой для нейроморфных компьютерных архитектур на базе «вычислений рядом с памятью».
29.04.2026
Сегодня для построения цифровых микросхем (логических элементов, процессоров, памяти) классических архитектур вычислительных машин используется комплементарная МОП-логика (КМОП-логика). Вместе с тем, бурное развитие систем искусственного интеллекта (ИИ), подразумевает ресурсоемкое и эффективное исполнение нейросетевых алгоритмов для обработки информации в режиме реального времени. Для этих целей классическая архитектура фон Неймана не в полной мере подходит в силу ограничения пропускной способности между процессором и памятью, лимитирующего производительность вычислений. Более того, существует резкое расхождение в скорости работы процессора и оперативной памяти.
Вышеперечисленные проблемы, получившие название «узкого горлышка фон Неймана» и «стены памяти», стимулировали развитие архитектур, в которых вычисления выполняются непосредственно «в памяти» или «рядом с памятью». Это сокращает перемещение данных, повышая производительность и энергоэффективность. Такие решения стали основой нейроморфных электронных устройств, обеспечивая асинхронность, событийную управляемость, пластичность (как основу обучаемости), максимальное распараллеливание при обработке данных. В результате подобные системы ИИ показывают на порядки более высокую вычислительную мощность при решении «интеллектуальных» задач, оставаясь крайне энергоэффективными.
Разработка компьютерных архитектур, ориентированных на вычисления в памяти и рядом с памятью, требует не только принципиально другой электронной компонентной базы, в том числе и новых видов энергонезависимой памяти, но и других подходов к проектированию логических элементов микросхем.
«В рамках работ над созданием нейроморфных чипов нового поколения мы разработали новый метод построения интегральных логических КМОП-ReRAM элементов с асинхронной записью и энергонезависимым хранением логических состояний, совмещающих функции вычисления и хранения данных при высокой плотности интеграции. Основу данных элементов составляют логический блок и ячейки энергонезависимой резистивной памяти – ReRAM –, интегрируемые в заключительный этап производства полупроводниковых чипов с применением метода молекулярного наслаивания для послойного синтеза функциональных наноразмерных слоев резистивной памяти».
Разработанные логические элементы, использующие пары встречно-последовательно включенных ячеек резистивной памяти для энергонезависимого хранения состояний, рассматриваются как основа высокопроизводительных и энергоэффективных архитектур для вычислений рядом с памятью. Эти элементы обеспечивают выполнение логических операций и сохранение выходных состояний за один такт, что напрямую повышает быстродействие.
«Асинхронная запись состояний в ячейки происходит без дополнительных тактовых импульсов, реализуя энергонезависимую обработку данных и повышая надежность вычислительных систем. Входные и выходные напряжения элементов соответствуют стандартным уровням КМОП-логики, что исключает необходимость в согласующих схемах и дополнительно снижает энергопотребление. Полная технологическая совместимость с КМОП-процессами достигается за счет интеграции наноразмерных слоев памяти на заключительном этапе производства интегральных схем, позволяя внедрить разработку в серийное производство с минимальными экономическими затратами».
Результаты исследований о методе построения логических блоков для реализации вычислений в памяти на основе комбинации КМОП-элементов и элементов энергонезависимой ReRAM были представлены на российском форуме «Микроэлектроника 2025». Работа ведется в русле научно-исследовательской политики программы развития СПбГЭТУ «ЛЭТИ» «Приоритет-2030», национального проекта «Молодёжь и дети» и инициативы Десятилетия науки и технологий.
