Nature Communications: memtransistor array для time-series processing без лишней обвязки

В программируемом мемтранзисторе временная константа меняется примерно в пять раз за счёт заряда в отдельном слое затвора: от 0.71 до 3.76 мс. Массив 16×16 ячеек показал обработку временных рядов с несколькими характерными масштабами, хотя вычислительная демонстрация использовала лишь 24 элемента и последовательное считывание. Главный инженерный вопрос здесь упирается в периферию: энергия чтения на порядки превосходит энергию изменения динамики затвора.

В Nature Communications опубликована работа KAIST и Samsung Electronics Semiconductor R&D Center о программируемом массиве мемтранзисторов, где постоянная релаксации задаётся энергонезависимым состоянием самого прибора. Авторы изготовили 16×16 массив в конфигурации 2T и продемонстрировали обработку временных рядов с несколькими временными масштабами. Статья вышла 4 июля 2026 года.

Ячейка построена вокруг programmable dynamic memtransistor, PDM. В затворном стеке объединены 5-нм слой IGZO, отвечающий за летучую динамику отклика, и ловушечный диэлектрический стек SiO₂/HfO₂/SiO₂ толщиной 3/5/12 нм. Заряд в HfO₂-механизме смещает рабочую точку устройства и задаёт скорость релаксации IGZO-канала после входного импульса. Таким способом один и тот же транзистор получает программируемую временную характеристику, пригодную для извлечения признаков из сигналов разной скорости.

Авторы получили восемь состояний charge-trap layer. Для программирования использовались импульсы 14–20 В длительностью 1 мс, для стирания — −16 В в течение 50 мс. Постоянная времени τ по состояниям составила 0.71–3.76 мс. В частотном опыте частота f50 лежала в диапазоне 182–1912 Гц. Эти цифры описывают конкретный импульсный протокол, напряжение считывания и выбранную метрику; их нельзя трактовать как фиксированную полосу мемтранзистора.

Массив содержит по одному PDM и select-транзистору на ячейку. Второй транзистор нужен для адресации и подавления токов по паразитным путям. По 256 приборам разброс τ внутри каждого запрограммированного состояния оказался ниже 7% по отношению σ/μ. На меньшей выборке из 30 устройств авторы получили менее 5%. Это существенный результат для физического резервуара: разброс приборов здесь формирует набор динамических откликов, однако пересечение состояний лишает программирование практической ценности.

В задаче предсказания системы Лоренца использовались 24 ячейки участка 3×8. Набор с распределёнными состояниями временных констант дал NMSE 2.8×10⁻³, набор из тех же 24 элементов в одном состоянии — 1.2×10⁻². Для сигнала из нескольких наложенных осцилляторов авторы приводят NMSE 6.8×10⁻³ против примерно 2.9×10⁻¹ у базовой конфигурации с единственным временным масштабом.

Аппаратная часть опыта пока ограничена интерфейсом считывания. Состояния 3×8 массива для Lorenz-теста извлекались последовательно, а readout layer моделировался программно. Отдельный тест построчного параллельного чтения охватывал четыре ячейки, причём один канал АЦП записывал выходы по очереди в режиме измерения напряжения. Следовательно, выигрыш от параллельности массива ещё не подтверждён измерением полной многоканальной периферии, её задержки и потребления.

Особенно показателен энергетический баланс. Для 100 импульсов модуляции затвора рассчитано 0.21 aJ, программирование максимального состояния charge-trap layer оценено в 16.2 pJ, а считывание через drain — в 125 pJ. Сверхмалая величина для затворной динамики характеризует локальное изменение состояния, тогда как доминирующую часть системной энергии формируют токовое чтение, АЦП и маршрутизация данных.

Проверка хранения длилась 3000 с: в худшем состоянии изменение τ оставалось ниже 5%. Экстраполяция авторов даёт сближение соседних высоких состояний примерно через 70 дней, однако это расчёт, а не длительный эксперимент. Показаны также 1×10⁷ импульсов летучего переключения и до 1000 циклов erase/program. Для перехода от демонстрации устройства к вычислительному модулю потребуются длительные тесты при температурных вариациях, интегрированный readout и измерение массива при реальной параллельной нагрузке.