Нижегородские ученые пытаются объединить нейрон с электронным устройством (фоторепортаж)

Нижегородские ученые пытаются объединить нейрон с электронным устройством (фоторепортаж)


Ведущий технолог Иван Антонов наблюдает за процессом осаждения тонкопленочной структуры
мемристора в вакуумной камере.

Название "мемристор" пока не известно большинству. Внутри этого коробка размером чуть больше спичечного скрывается чип, который может стать «памятью» нового поколения, заменить микросхемы оперативной памяти и жесткие диски в компьютерах и использоваться в любых гаджетах. 


Ведущий научный сотрудник Дмитрий Филатов: «В сверхвысоковакуумном комплексе
осуществляется контроль за качеством пленок, которые входят в состав мемристоров».

В размере нанометра

- Это удешевит компьютеры, они будут меньших размеров, станут работать быстрее и эффективнее. Пройдет несколько лет, и начнется промышленный выпуск компьютеров с универсальной памятью на мемристорах, которые будут работать намного быстрее, обрабатывать и хранить в разы больше данных. Разработки в данном направлении ведутся как во всем мире, так и нашими учеными. В том числе в рамках федеральной целевой программы запоминающее устройство на основе мемристора создано в ННГУ (в партнерстве с НИИИС им. Ю.Е.Седакова), - рассказывает заведующий отделом твердотельной электроники и оптоэлектроники НИФТИ ННГУ, кандидат физико-математических наук Олег Горшков. 

Так что же такое мемристор? Это микроэлектронный элемент, который может изменять свое сопротивление в зависимости от величины тока, который проходил через него до этого. Таким образом, мемристор обладает «памятью», что как раз и позволяет рассматривать его в качестве запоминающего устройства нового типа, или микрочипа.

Конструктивно мемристоры значительно проще флеш-накопителей (флешек): они состоят из тонких оксидных пленок с толщиной порядка 10 нм. Оксидные пленки расположены между двумя проводящими электродами. Вот это, пожалуй, и все основные элементы устройства.

Все процессы в мемристорах происходят на атомном уровне. Толщина 10 нанометров означает, что там поперек можно расположить лишь 20 - 30 атомных слоев (!). Это нанофизика, наноэлектроника. 

- По тем исследованиям, которые сегодня выполнены, можно сказать, что размер ячейки памяти мемристора может быть в поперечнике порядка единиц нанометров, то есть плотность записи возрастает в десятки раз, скорость записи и считывания информации также увеличивается, - объясняет Олег Николаевич.

В ННГУ сегодня сразу несколько коллективов ученых заинтересованы в дальнейшем улучшении параметров и характеристик мемристоров. В одной команде с физиками и математиками вместе работают биологи. И это не случайно.

 

Заведующий отделом твердотельной электроники и оптоэлектроники НИФТИ ННГУ Олег Горшков.

Способен к обучению

Дело в том, что по своему поведению мемристоры очень похожи на биологические синапсы, которые связывают нейроны друг с другом в головном мозге человека. Как известно, толчок ко многим техническим изобретениям давали наблюдения за живой природой - насекомыми, рыбами, животными. Схожесть в поведении мемристоров и синапсов подтолкнула исследователей к идее связать мемристор с живым объектом - нервной клеткой. Возможность использовать мемристоры для решения биомедицинских задач может быть одним из важнейших направлений для развития нейронауки сегодня. 


Заведующий лабораторией Алексей Михайлов рассказывает о технологии создания 
мемристивного чипа.

В головном мозге сто миллиардов нейронов. Они связаны между собой синапсами - на один нейрон до 10 тысяч каналов связи, или синапсов. Биологи сегодня заметно продвинулись в понимании того, какие биохимические процессы происходят в мозге человека, в том, как устроены нейроны и синапсы. А мемристор - это новейшее достижение электроники. Ученые даже называют мемристоры электронными синапсами.

- Мы научились делать матрицы, массивы мемристоров и пытаемся совмещать их с живыми объектами. Когда мы связываем с помощью одного мемристора два электронных объекта, скажем два электрических генератора, то мы меняем параметры сигнала на одном генераторе, а второй «понимает», что к нему приходит информация. Происходит это благодаря тому, что мемристор обучается, меняет свои параметры таким образом, чтобы электронные сигналы могли пройти на второй генератор и запустить его работу. Этот же принцип используется при объединении мемристора и живой клетки, - разъясняет Олег Горшков.


Младший научный сотрудник Сергей Зубков изучает поверхностные свойства наноструктур.

Электроника плюс биология 

В головном мозге происходят биохимические процессы, которые сопровождаются выработкой электрических сигналов в живых нейронах, и эти сигналы можно также использовать для воздействия на мемристор. 

Это открывает огромные перспективы с точки зрения управления живыми объектами через электронику и наоборот. Это важно как для управления роботами, так и для взаимодействия с мозгом больного человека для того, чтобы воздействовать на определенные области в организме, которые не работают. Предположим, требуется восстановить участок спинного мозга. На основе мемристоров можно сделать электронный сегмент спинного мозга. Устройство может даже находиться вне человека, скажем, в кармане у больного… 

- Можно фантазировать и дальше по поводу применения этих разработок, но пока люди на самом начальном этапе, - включается в разговор заведующий лабораторией физики и технологии тонких пленок НИФТИ ННГУ, кандидат физико-математических наук Алексей Михайлов. 

Словом, ученые увидели аналогию в работе электронных устройств с работой живых синапсов и нейронов, и науке предстоит понять, как живое воздействует на электронные устройства и как можно живым управлять с помощью электронных устройств. 

Сегодня тайны работы мозга еще не раскрыты полностью, но специалисты предполагают, что, например, работа нашей памяти определяется именно тем, какие нейроны мозга связаны друг с другом и насколько эти связи сильны. Соответственно процесс запоминания трактуется как изменение силы этих связей под действием ощущений, порождающих сигналы в нейронной сети мозга. 

Еще один проект ННГУ связан с созданием нейроморфных аналоговых вычислительных систем: на основе мемристоров можно сделать биоподобные вычислительные системы, которые по архитектуре, по организации аналогичны тому, как наш мозг производит вычисления. 


Младший научный сотрудник Александр Круглов настраивает сканирующий зондовый микроскоп
для изучения морфологии 
поверхности пленок.

Как рождается решение 

Парадоксальная вещь: сложные вычисления, которые человек совершает часами, компьютеры делают за микро- или даже наносекунды. За миллионную, тысячную долю секунды в компьютере происходит обмен информацией между ячейками. У человека процесс передачи информации в мозге происходит достаточно медленно, и тем не менее человек может довольно быстро реагировать на происходящее и принимать решения, которые не по силам компьютеру, так как машина лишь запрограммирована на какие-то действия.

С другой стороны, если говорить о распознавании образов машиной, то компьютер видит отдельные пиксели, но не воспринимает лицо на фото целиком. Получается, что суперкомпьютер, занимающий целое здание и потребляющий гигаватты электричества, не может решить ту задачу, которая не представляет сложностей для человеческого мозга, потребляющего порядка одного ватта энергии. 

Помочь раскрыть секрет работы человеческого мозга можно опять же с помощью таких устройств, как мемристор. Моделируя процесс передачи информации на отдельных искусственно созданных нейронах, можно приблизиться к пониманию того, как человек принимает решения. В планах ученых сделать мемристор наноскопического размера, чтобы число элементов было сопоставимым с тем, которое имеется в нашей голове. Впрочем, размер сегодня не играет существенной роли. Сейчас важно, чтобы возникло понимание того, как это работает. И в соответствии с этим построить некие аналоги живых систем. 

- Мы предполагаем, что можно сделать небольшую сеть и заместить часть спинного мозга, что позволит существенно продвинуться в решении задач нейрореабилитации. Уже подана заявка на исследования в этой области совместно с Казанским федеральным университетом, - рассказывает Алексей Михайлов. 


Так выглядит мемристивный чип в специальном контактном устройстве.

Эксперимент состоялся

В рамках действующего проекта Российского научного фонда в ННГУ продвинулись в реализации простых связей между живыми клетками и мемристором. Клетки мозга берутся у эмбриона крысы. В специальной питательной среде их «жизнь» поддерживается в установке, где созданы условия, приближенные к тому, что и в головном мозге человека: влажность 100 процентов, температура +35 градусов Цельсия, состав воздуха 95 процентов - кислород, 5 процентов - углекислый газ. Клетки остаются живыми в течение нескольких месяцев.

- Мемристор с живой клеткой мы соединяем проводами подобно тому, как в организме человека все соединяется нервными волокнами, по которым проходят нервные импульсы. В ходе экспериментов суспензию с живыми нейронами помещаем на микроэлектродную матрицу, что позволяет отслеживать активность нейронов. К этой матрице и подключается мемристорная сеть. 

- Первые эксперименты показали, что обмен импульсами или общение между нейроном и мемристором действительно состоялось.

Связь между живой клеткой и мемристором была зафиксирована. Теперь задача в том, чтобы мемристорная сеть передавала сигнал в обратном направлении через эти же электроды на живые клетки, - объясняет доцент кафедры нейротехнологий, кандидат физико-математических наук Алексей Пимашкин. 

Александра МАХЛИНА. Фото Александра ВОЛОЖАНИНА.

Это интересно!

Как создаются чудо-пленки

В течение пяти последних лет в ННГУ была разработана технология создания тонкопленочных структур для мемристоров. Наносят их в установках магнетронного распыления в лаборатории физики и технологии тонких пленок НИФТИ. Состоят они из оксидных, металлических материалов, которые можно использовать в промышленном производстве. Чтобы сделать мемристор с правильными свойствами, надо контролировать состав, структуру входящих в него пленок нанометровой толщины. Такие тонкие исследования проводят в лабораториях научно-образовательного центра «Физика твердотельных наноструктур». 

- В зависимости от толщины и нужного состава время выращивания пленки составляет от нескольких минут до нескольких часов. Затем готовая пленка тщательно исследуется в течение нескольких недель. Один атомный слой осаждается за секунду. Сколько нужно слоев, столько нужно и времени. Как он получается? Берется кусок металла, а точнее его стружка, затем в камеру для осаждения пленок запускается кислород под низким давлением, включается электронная пушка, и электронный пучок бьет по металлической мишени, распыляя ее. Атомы металла попадают на подложку «прыгают по ней», сталкиваются с атомами кислорода и превращаются в оксид (запускается химическая реакция), образуя кристаллическую решетку. Так формируется пленка. Механически она прочная, но если до нее дотронуться рукой, то на поверхности останется жир или грязь и информация об ее первоначальном составе искажается. Поэтому образцы изготавливаются в условиях высокой стерильности.

- В сверхвысоковакуумном комплексе с точностью до нанометра можно разглядеть состав и структуру тонких пленок. Сверхточные микроскопы помогают контролировать качество пленки, - рассказывает ведущий научный сотрудник, доктор физико-математических наук Дмитрий Филатов.

Кстати

Недостающий элемент

Идея мемристора была реализована на практике спустя 37 лет после ее теоретического обоснования. В 1971 году американский физик Леон Чуа из Калифорнийского университета в Беркли выдвинул гипотезу, согласно которой должен существовать четвертый базовый элемент электрических схем, который описывал бы взаимосвязь магнитного потока с зарядом. Чуа назвал его мемристором - от слов «резистор» и memory, то есть «память», что связано с одной из характеристик мемристора, так называемым «эффектом памяти», означающим, что свойства этого элемента зависят от приложенного ранее воздействия.

Реализовать на практике эту красивую теорию удалось лишь в 2008 году, когда появились подходящие материалы и технологии. Достижение группы ученых HP Labs под руководством Стэнли Уильямса в действительности трудно переоценить: впервые со времен Фарадея удалось физически воспроизвести принципиально новый элемент электрических цепей. К слову, одним из ведущих разработчиков группы Уильямса и соавтором научной статьи о мемристорах в журнале Nature стал наш соотечественник Дмитрий Струков.