Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Второй год выполнения проекта был направлен на идентификацию доступных образцов мемристивных структур путем проведения серии измерительных экспериментов. Синтезированы новые компактные эмпирические модели волатильных и неволатильных биполярных мемристоров на основе данных, полученных от физических образцов: двунаправленного порогового селектора AND-TS и биполярного мемристора с многослойной структурой Au/Ta/ZrO2/Pt/Ti. Математическая модель устройства AND-TS идентифицирована в виде волатильного мемристора первого порядка с пороговым переключением, управляемым напряжением. Поведение предложенной модели волатильного мемристора верифицировано с использованием динамических карт, отображением вольт-амперных характеристик (ВАХ) и переходной реакции на импульс напряжения включения. Математическая модель устройства Au/Ta/ZrO2/Pt/Ti идентифицирована в виде мемристора первого порядка с нелинейными функциями порогов переключения, зависимых от переменной состояния проводимости, а также представлением проходящего через устройство тока в виде суммы токов элемента резистивной памяти и диода Шоттки. Идентифицированная структура и параметры модели позволили с высокой точностью воспроизвести динамические особенности ВАХ: S-образный участок отрицательного дифференциального сопротивления в процессе SET и участки медленного переключения, остановки и скачка в процессе RESET. Разработана программная среда моделирования динамических систем CUDAynamics для распределённых вычислений на графических устройствах Nvidia. Высокий уровень интерактивности, обеспечивающий конкурентное преимущество над существующими аналогами, реализован посредством интеграции графического интерфейса пользователя на основе библиотек Dear ImGui и ImPlot, а также поддержки динамического управления вычислительными процессами и визуализации данных в режиме реального времени (включая построение графиков и диаграмм). При симуляции в реальном времени присутствует возможность изменять значения параметров и прослеживать реакцию системы на изменения. Моделирование может включать элементы анализа, например расчет наибольшего показателя Ляпунова, числа аттракторов мультистабильной системы, длительности переходного процесса. Реализован режим просмотра траекторий для каждого набора начальных условий или параметров, по которым выполнено распараллеливание. В библиотеку доступных для исследования динамических систем включены классические хаотические системы, некоторые типовые модели из области нейроморфных технологий (нейроны Ижикевича, Вилсона и Ходжкина-Хаксли), мемристивные системы, в том числе авторские модели нейронов и синапсов. Выполнен анализ динамических режимов цепи спайкового нейрона на базе волатильного мемристора и туннельного диода. Установлены ключевые паттерны генерации спайков и определены рабочие диапазоны параметров нейронной цепи, обеспечивающие её устойчивое функционирование. Подтверждено изменение класса возбудимости нейрона по Ходжкину в зависимости от модулирующего источника постоянного напряжения. Выполнена оценка энергетических характеристик электрической цепи нейрона путем вычисления показателя рассеивания мощности в фазах зарядки и рассеивания, а также аналитическая оценка энергии с использованием концепции энергии Гамильтона. Выполнен анализ динамических режимов хамелеонной системы с функцией косинуса. Система исследована посредством численного моделирования и физической реализации с использованием электронной схемы. Результаты доказали существование нескольких аттракторов на четырех уровнях реализации системы. Проведенный эксперимент подтвердил правильность исполнения системной схемы и программных инструментов анализа на базе технологии Nvidia CUDA. Имплементированы исполняемые модели волатильных и неволатильных мемристоров в виде файлов расширений .ms14 (электрические цепи) и .prz (электрические элементы) для SPICE-системы Multisim, а также на языке C++ в файлах расширения .cu (конечно-разностные схемы) для исполнения на GPU по технологии CUDA. Синтезированы версии моделей мемристоров на базе хаотических адаптивных осцилляторов для воспроизведения вариативности между циклами переключения мемристоров. Разработан экспериментальный стенд для проведения испытаний на вибрационные и температурные воздействия. Модули экспериментального стенда для вибрационных и температурных испытаний объединены в единую систему управления и сбора данных на базе универсального шасси NI PXI-1042. В подсистему для вибрационных испытаний включены: вибрационный стенд ST 5000/300, усилитель мощности, контроллер, акселерометр, генератор возмущающих воздействий, устройства управления и визуализации. Реализованы режимы для оценки вибрационной прочности (способности объекта выдерживать предельные нагрузки) и устойчивости (сохранения функциональности при вибрации). Подготовлен аппаратно-программный комплекс для автоматизации испытаний на температурные воздействия. В состав подсистемы вошли: термокамера ТАВАI MC-81, регулятор температуры Термодат 17Е6 и программное обеспечение TermodatNet. Реализованы следующие методы испытаний: постепенное изменение температуры, циклическое изменение температуры, резкое изменение температуры, тепловой удар. Создан универсальный источник тока для измерения ВАХ полупроводниковых приборов, выходное сопротивление которого можно изменять по заданному алгоритму во время проведения измерения ВАХ. Выполнено тестирование измерительной схемы при записи ВАХ мемристоров Knowm. Выполнен аналитический обзор известных исполняемых моделей мемристоров с точки зрения адекватной передачи межобразцовой и межцикловой вариативности. С целью создания адаптивных моделей, учитывающих вариативность реальных устройств в условиях проявления отрицательного дифференциального сопротивления, разработаны программные инструменты для выявления распределений пороговых напряжений из экспериментальных данных. Полученные параметры распределений использованы при синтезе моделей мемристоров Knowm и порогового селектора AND-TS, учитывающих межциклическую вариативность.