Лаборатория стохастических мультистабильных систем

Научные результаты:

Пройден путь от решения фундаментальных проблем материаловедения, физики сложных нелинейных стохастических систем до мемристивных устройств в интегральном исполнении, новых физико-математических моделей, учитывающих влияние флуктуаций, и аналого-цифровых схем на основе мемристоров. Обобщены результаты теоретического и экспериментального исследования флуктуационных явлений в мультистабильных системах на основе мемристивных материалов. Экспериментально продемонстрированы принципиально новые возможности для повышения стабильности, предсказания поведения и управления параметрами мемристивных устройств в прототипах электронных устройств и нейроморфных систем нового поколения.  Разработаны технологические рекомендации по созданию элементов резистивной памяти и устройств на их основе, демонстрирующих стабильность поведения и возможность управления параметрами. Проведено исследование роли стохастических факторов и шумов в обучаемости импульсных нейросетевых архитектур на основе синаптических мемристивных структур.

На основе проведенного исследования флуктуационных явлений в мемристивных системах была создана стохастическая макромодель мемристора, которая становится эффективным инструментом при разработке новой элементной базы и средств автоматизированного проектирования для целого ряда продуктов на основе мемристоров. Как ожидалось и как показали проведенные исследования, флуктуации могут играть конструктивную роль в мемристивных системах.

Внедрение результатов исследования:

Проведенные исследования позволяют найти новые применения обнаруженным явлениям и реализовать предложенные способы улучшения характеристик электронных устройств на основе мемристивных материалов. Это выводит проект на новый прикладной уровень, требующий ориентации на конкретные изделия электронной техники, связанные с ними продукты и плотное взаимодействие с организациями реального сектора экономики.

Наиболее очевидное применение мемристивных устройств – это универсальная резистивная память RRAM (Resistive Random Access Memory), 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 также относятся энергоэффективные аппаратные нейронные сети (нейропроцессоры) для систем связи, включая IoT, обработки больших данных, робототехники и искусственного интеллекта. В будущем, новый технологический прорыв может быть связан с созданием на основе мозгоподобных мемристивных сетей адаптивных нейропротезов и нейроинтерфейсов для замещения, расширения или восстановления утраченных функциональных возможностей мозга.

Организационные и инфраструктурные преобразования:

Лаборатория стохастических мультистабильных систем (StoLab, http://www.stolab.unn.ru/) функционирует в ННГУ в составе НОЦ «Физика твердотельных наноструктур». Лаборатория является междисциплинарной и состоит из 5 секторов: сектор современных методов стохастического анализа, сектор технологии мемристивных материалов, сектор микроскопических зондовых исследований, сектор физики шумов, сектор нейроморфных технологий. В рамках междисциплинарной лаборатории объединены усилия ведущих научно-педагогических и инженерно-технических работников ННГУ (радиофизического факультета, НОЦ «Физика твердотельных наноструктур», физического факультета, НИФТИ, Нижегородского нейронаучного центра) и представителей Курчатовского комплекса НБИКС-технологий (НИЦ «Курчатовский институт»). Научный коллектив состоит из 50 человек, в том числе 5 докторов наук, 18 кандидатов наук, 8 студентов ННГУ и 6 аспирантов ННГУ.

Образование и переподготовка кадров:

Начиная с 2018 г. проводится регулярный научно-образовательный семинар лаборатории стохастических мультистабильных систем (StoLab). Регулярный семинар организован по приказу ректора ННГУ для студентов, аспирантов и молодых учёных. Основной задачей семинара является представление результатов научно-исследовательской деятельности Лаборатории стохастических мультистабильных систем в области комплексных исследований флуктуационных явлений в мультистабильных системах для создания новых поколений электронных устройств и нейроморфных технологий искусственного интеллекта на основе мемристивных материалов, а также в смежных областях.

Сотрудниками Лаборатории было организованы 2 международных научных семинара в России и Греции, 2 международные конференции в Италии, 1 международный симпозиум в России и 3 российские научные конференции.

В 2019 году проф. Б. Спаньоло прочитал курс лекций об актуальных задачах современной статистической физики для студентов и сотрудников ННГУ.

Сотрудники Лаборатории осуществляют научное руководство исследованиями студентов и аспирантов ННГУ. 

В 2018-2020 гг. 29 сотрудников лаборатории повысили квалификацию.

Сотрудничество:

На базе ННГУ активное ведется сотрудничество с сотрудниками ряда подразделений НИИ нейронаук и Института биологии и биомедицины, направленное 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. Для разработки оригинальных научно-технологических решений по фотолитографии тонкопленочных структур в составе мемристивных устройств Лаборатория сотрудничает со специалистами кафедры физической химии химического факультета ННГУ.

В коллективе лаборатории работают 2 привлеченных иностранных ученых из университета Палермо, Италия (Б. Спаньоло и А. Каролло).

Проводились совместные исследования с привлечением в рамках дистанционного трудового договора доцента Чхунбукского национального университета Южной Кореи Сунджун Ким, направленные на разработку и исследование новых металл-оксидных мемристивных устройств для нейроморфных вычислительных систем; опубликована совместная статья.

Проводятся совместные исследования с привлечением в рамках дистанционного трудового договора заведующего лабораторией Вычислительной биологии Центра биомедицинских технологий Мадридского политехнического университета Испании Александра Николаевича Писарчика, направленные на разработку нейрогибридного интерфейса на основе самоорганизации мультистабильных мемристивных и живых нейрональных систем; опубликована совместная статья.

Партнеры StoLab:

• Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», Москва, Россия
• University of Leicester, Great Britain
• Loughborough University, Great Britain
• Polytechnic University of Madrid, Centre for Biomedical Technology, Madrid, Spain
• University of Granada, Department of Electronics and Computer Technology, Granada, Spain
• National Center for Scientific Research Demokritos, Institute of Nanoscience and Nanotechnology, Athens, Greece
• University of South Carolina, Columbia, Department of Physics and Astronomy, United States
• Tsinghua University, Institute of Microelectronics, Beijing, China
• Dongguk University, Division of Electronics and Electrical Engineering, Seoul, Republic of Korea
• Indian Institute of Technology (IIT) Ropar, Department of Electrical Engineering, Guwahati, India
• ООО «Инжиниринговый центр Университета Лобачевского»
• Филиал ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» «Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю.Е. Седакова», Нижний Новгород, Россия
• Акционерное общество «Научно-исследовательский институт молекулярной электроники», Зеленоград, Москва, Россия
• Huawei Technologies

По результатам сотрудничества в соавторстве с представителями указанных партнерских организаций подготовлены/опубликованы статьи в журналах Q1 и главы в коллективных монографиях.