О лаборатории
|
Лаборатория стохастических мультистабильных систем (StoLab) создана в ННГУ в 2018 году по приказу ректора ННГУ № 69-ОД от 06.02.2018 г. в соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 года № 220 и в соответствии с Соглашением № 074-02-2018-330(2) между ННГУ и Минобрнауки РФ.
Проф. Спаньоло Бернардо
Область наук Электротехника, электронная техника,
Направление научных исследований Комплексное исследование флуктуационных явлений в мультистабильных системах для создания новых поколений электронных устройств и нейроморфных технологий искусственного интеллекта на основе мемристивных материалов. |
Цель научных исследований Исследование конструктивной роли шума и флуктуационных явлений в мультистабильных мемристивных системах с использованием новейших методов статистического анализа для создания новых поколений электронных устройств и нейроморфных технологий искусственного интеллекта на основе мемристивных материалов.
Задачи научных исследований
|
Структура лаборатории
Научно-исследовательская лаборатория стохастических мультистабильных систем (StoLab) возглавляется проф. Б. Спаньоло и состоит из 5 секторов:
|
Деятельность сектора современных методов стохастического анализа направлена на решение фундаментальных задач по исследованию влияния внешних и внутренних шумов на поведение мультистабильных мемристивных систем, изучению и анализу явлений с конструктивной ролью шума в таких системах. Руководство сектором осуществляется ведущим российскими специалистами в области статистической радиофизики Дубковым А.А. (д.ф.-м.н., зав. кафедрой «Математические методы в радиофизике» радиофизического ф-та ННГУ) и Агудовым Н.В. (к.ф.-м.н., отв. исполнитель работ по проекту). Сектор технологии мемристивных материалов занимается созданием различных мемристивных наноструктур «металл-диэлектрик-металл» на основе оксидных пленок в виде лабораторных образцов наноматериалов для микроструктурных исследований природы внутренних шумов, в виде отдельных мемристивных устройств для исследований влияния внешнего шума и в виде матриц мемристивных элементов для интеграции в аналогово-цифровые схемы нейронных сетей. Руководителем сектора технологии мемристивных материалов является Михайлов А.Н. (к.ф.-м.н., заведующий лабораторией физики и технологии тонких пленок НИФТИ ННГУ). Сектор микроскопических зондовых исследований занимается исследованием структурных и электрофизических свойств различных тонкоплёночных мемристивных материалов и мемристивных структур «металл-диэлектрик-металл» на основе указанных оксидных пленок. Соруководителями сектора микроскопических зондовых исследований являются Горшков О.Н. (к.ф.-м.н., доцент, заведующий отделом твердотельной электроники и оптоэлектроники НИФТИ, директор НОЦ «Физика твердотельных наноструктур» ННГУ) и Филатов Д.О. (д.ф.-м.н., доцент, с.н.с. НОЦ «Физика твердотельных наноструктур» ННГУ). |
Работа сектора физики шумов посвящена изучению микроскопической природы возникновения и влияния фликкерного (1/f) и высокочастотного шума в мемристивных наноструктурах. Руководителем сектора физики шумов является Якимов А.В. (д.ф.-м.н., профессор радиофизического ф-та ННГУ). Сектор нейроморфных технологий будет занимается разработкой алгоритмов и апробацией моделей импульсных (спайковых) нейронных сетей на основе процессов самоорганизации в массивах мемристивных устройств. Руководителем сектора нейроморфных технологий является В.А. Демин (к.ф.-м.н., директор-координатор по направлению природоподобные технологии НИЦ «Курчатовский институт»). Научная тематика лаборатории является сугубо междисциплинарной, поэтому успешное решение задач проекта возможно только на стыке разных областей знаний и требует вовлечения сотрудников разных подразделений университета, а также специалистов из сторонних организаций. На базе ННГУ активное сотрудничество ведется с сотрудниками ряда подразделений НИИ нейронаук и Института биологии и биомедицины, представляющих неформальное объединение, известное во всем мире как Нижегородский нейронаучный центр. Направлено это сотрудничество на разработку и создание новых поколений нейроморфных и нейрогибридных систем на основе разрабатываемых мемристивных схем и живых сетей (культур и тканей) мозга для решения актуальных задач робототехники, искусственного интеллекта и медицины. |
|
Уникальность лаборатории Уникальность лаборатории связана с реализацией единого системного подхода к формированию, изучению и применению мемристивных систем, с которыми связана новая парадигма в развитии микроэлектроники, ведущая к созданию уникальных биоподобных информационно-вычислительных систем, близких по возможностям к человеческому мозгу. Впервые в мире данный подход сочетает глубокие знания о природе микроскопических явлений, отвечающих за эффект резистивного переключения в нанометровом масштабе, соответствующих ожидаемым размерам перспективной элементной базы, и новейшие методы статистической физики, которые позволяют выявить фундаментальные свойства мемристоров как мультистабильных стохастических систем. Уникальность исследования микроскопической природы возникновения и влияния фликкерного (1/f) и высокочастотного шума в мемристивных наноструктурах, заключается в развитии методов неразрушающего контроля качества изготовления с целью повышения надёжности исследуемых структур. Изучение шумовых характеристик открывает широкие возможности для исследования особенностей процессов миграции вакансий и других микроскопических деталей процесса резистивного переключения в оксидных плёнках в зависимости от конструкции и микроструктуры мемристивных устройств. Разрабатываемые методы обеспечивают расширение диагностических возможностей измерения электрофизических характеристик разрабатываемых структур, кроме того, они расширяют арсенал методов измерительной технологии в актуальной области изготовления мемристоров, являющихся основой нового поколения устройств энергонезависимой памяти. Такое сочетание обеспечивает корректную интерпретацию мемристивного эффекта в металл-оксидных мемристивных устройствах и возможность управления его параметрами, необходимого для потенциальных применений. |
Практическая значимость исследований Исследования лаборатории направлены на создание новых поколений устройств электронной памяти и нейроморфных(нейрогибридных) систем искусственного интеллекта. В ходе проекта будет пройден путь от фундаментальных проблем материаловедения до устройств в интегральном исполнении, компактных физико-математических моделей и аналого-цифровых систем на основе мемристоров. Это обеспечивает создание элементной базы и средств автоматизированного проектирования для реализации целого ряда продуктов на основе мемристоров. Самое простое применение мемристивных устройств – это универсальная резистивная память RRAM, которая объединяет в себе качества оперативной памяти и постоянных запоминающих устройств, а также обладает уникальной радиационной стойкостью, что важно для использования в условиях космоса и атомных реакторов. К перспективным направлениям применения мемристивных устройств относятся аппаратные нейронные сети (нейропроцессоры) для IoT, обработки больших данных, робототехники и искусственного интеллекта. Прорыв в нейромедицинских технологиях может быть связан с созданием на основе мозгоподобных мемристивных сетей перспективных архитектур вычислительных устройств и адаптивных нейропротезов и нейроинтерфейсов для замещения, расширения или восстановления утраченных функциональных возможностей мозга. Несмотря на то, что проект находится в конце второго года его реализации, уже сейчас ведется активное обсуждение совместных разработок и перспектив внедрения результатов проекта с представителями крупных российских и зарубежных микроэлектронных компаний:
|
