Неидеальность спасает: как дефекты в чипах продлевают жизнь компьютерной памяти

Современные компьютеры используют два основных типа памяти: SSD и HDD. У каждого свои плюсы и минусы. SSD быстрее обрабатывают данные, но имеют ограниченный ресурс перезаписи — в среднем 7–10 лет, причем выход из строя часто происходит внезапно. HDD, напротив, медленнее, но долговечнее, а перед поломкой подают сигналы — щелчки и скрежет.

Но развитие не стоит на месте. Ученые всего мира работают над новыми типами памяти, основанными на иных физических принципах. Одно из перспективных направлений — сегнетоэлектрическая память. Она обещает превзойти традиционные накопители по скорости, энергопотреблению и ресурсу. Однако на пути к практической реализации стоят технологические трудности.

Почему сегнетоэлектрики «капризны»

Ключевой элемент такой памяти — конденсатор, состоящий из двух электродов и слоя диэлектрика — сегнетоэлектрика. В данном случае использовался легированный оксид гафния. «Его плюс в том, что этот материал уже давно применяется в микроэлектронике и хорошо “дружит” с существующими технологиями производства чипов», — пояснил Илья Савичев, младший сотрудник лаборатории перспективных концепций хранения данных МФТИ.

Проблема в том, что при циклической работе в пленке сегнетоэлектрика накапливаются дефекты, образуются проводящие каналы — пробои. Это происходит из-за миграции ионов под действием заряда, что приводит к нагреву и разрушению материала. Логично предположить: чем толще слой, тем дольше он прослужит.

Чем тоньше — тем лучше

Эксперимент показал обратное. При экстремальном утончении пленки (до 10–20 атомных слоев) в материале формируется неоднородная структура: кристаллические участки сегнетоэлектрической фазы перемежаются аморфными зонами, где атомы расположены беспорядочно. «Вопреки ожиданиям, именно при такой “неидеальной” структуре пленка становится более устойчивой к воздействию мигрирующих ионов, потому что аморфная фаза сдерживает их миграцию. В конечном итоге это позволяет значительно увеличить ресурс памяти», — отметила Анастасия Чуприк, заведующая лабораторией.

Таким образом, дефекты структуры — не всегда зло. Наоборот, они могут стать защитным барьером. Этот неожиданный результат открывает путь к созданию более надежных чипов памяти. Разработки лаборатории уже используются в образовательном процессе МФТИ и передаются коммерческим партнерам университета.