RSS-ленты
РусскийEnglish
Выпуск 3, 2026
Том год страница
Выпуски Авторы PACS Подписчикам Для авторов

Cтатьи, принятые к публикации
Обзоры актуальных проблем


Мемристоры для нейроморфных вычислительных систем: основные параметры и способы их оптимизации

 а,  а, б,  а,  а, б, в,  б,  а, б,  а,  а, б, в,  а, б, в
а Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Физический факультет, Ленинские горы 1 стр. 2, Москва, 119991, Российская Федерация
б Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», пл. акад. Курчатова 1, Москва, 123182, Российская Федерация
в Московский физико-технический институт (Национальный исследовательский университет), Институтский пер. 9, Долгопрудный, Московская обл., 141701, Российская Федерация

В последние годы в научном сообществе сохраняется высокий интерес к нейроморфным вычислительным системам на основе мемристивных устройств, благодаря их уникальным преимуществам. В то же время, несмотря на наличие большого многообразия мемристоров, пока еще не создано устройство с оптимальными характеристиками для использования в нейроморфных вычислениях. В статье представлены сведения об основных видах и параметрах мемристивных устройств. Рассмотрены мемристоры, переключающиеся по механизмам изменения валентности, электрохимической металлизации, фазового перехода, сегнетоэлектрического туннельного и спин-туннельного эффектов. Проанализированы основные характеристики, достоинства и недостатки каждого вида мемристоров. Представлены основные пути совершенствования характеристик мемристоров, связанные с оптимизацией состава и структуры мемристивных устройств, схемотехническими и алгоритмическими решениями.

Ключевые слова: мемристоры, механизмы переключения, типы мемристоров, оптимизация характеристик
DOI: 10.3367/UFNr.2025.09.040037
Цитата: Ильин А С, Мацукатова А Н, Мартышов М Н, Емельянов А В, Рыльков В В, Демин В А, Форш П А, Кашкаров П К, Ковальчук М В "Мемристоры для нейроморфных вычислительных систем: основные параметры и способы их оптимизации" УФН, принята к публикации

Поступила: 14 июля 2025, доработана: 19 сентября 2025, 21 сентября 2025

English citation: Ilin A S, Matsukatova A N, Martyshov M N, Emelyanov A V, Rylkov V V, Demin V A, Forsh P A, Kashkarov P K, Kovalchuk M V “Memristors for neuromorphic computing systems: basic parameters and methods of their optimization” Phys. Usp., accepted; DOI: 10.3367/UFNe.2025.09.040037

Список литературы (228) ↓ Похожие статьи (6)

  1. Mead C Proc. IEEE 78 1629 (1990)
  2. Indiveri G Front. Neurosci. 5 (2011)
  3. Furber S J. Neural Eng. 13 051001 (2016)
  4. Sheridan P, Lu W Memristors and Memristive Devices for Neuromorphic Computing (Eds A Adamatzky, L Chua) (Cham: Springer International Publishing, 2014)
  5. Abbott L F, Regehr W G Nature 431 796 (2004)
  6. Zhou Z Nat. Electron. 3 571 (2020)
  7. Painkras E IEEE J. Solid-State Circuits 48 1943 (2013)
  8. Akopyan F IEEE Trans. Comput. Des. Integr. Circuits Syst. 34 1537 (2015)
  9. Davies M IEEE Micro 38 82 (2018)
  10. Coates A Deep Learning with COTS HPC Systems 1337
  11. Merolla P A Science 345 668 (2014)
  12. Moradi S IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst. 12 106 (2018)
  13. Ramakrishnan S, Hasler P E, Gordon C IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst. 5 244 (2011)
  14. Jouppi N P In-Datacenter Performance Analysis of a Tensor Processing Unit (New York, NY, USA: ACM, 2017) p. 1
  15. Danial L Nat. Electron. 2 596 (2019)
  16. Zhang Y Appl. Phys. Rev. 7 011308 (2020)
  17. Leiserson C E Science 9744 (2020)
  18. Ielmini D, Wong H S P Nat. Electron. 1 333 (2018)
  19. Xia Q, Yang J J Nat. Mater. 18 309 (2019)
  20. Borkar S, Chien A A Commun. ACM 54 67 (2011)
  21. Zhang X IEEE Electron Device Lett. 39 308 (2018)
  22. Tang J Adv. Mater. 31 1902761 (2019)
  23. JP IEEE Trans. Circuits Syst. II Express Briefs 70 3139 (2023)
  24. Vongehr S, Meng X Sci. Rep. 5 11657 (2015)
  25. Wu Q Nanoscale 10 5875 (2018)
  26. Yuklyaevskikh G A Chaos, Solitons & Fractals 190 115784 (2025)
  27. Ju S Appl. Surf. Sci. 697 162973 (2025)
  28. Писарчик А Н, Храмов А Е УФН 193 1298 (2023); Pisarchik A N, Hramov A E Phys. Usp. 66 1224 (2023)
  29. Nikiruy K E AIP Adv. 9 (2019)
  30. Rao M Nature 615 823 (2023)
  31. Sharma D Nature 633 560 (2024)
  32. Matsukatova A N Appl. Phys. Lett. 117 243501 (2020)
  33. Govoreanu B 31
  34. Prezioso M Nature 521 61 (2015)
  35. Li C Nat. Commun. 9 2385 (2018)
  36. Chua L IEEE Trans. Circuit Theory 18 507 (1971)
  37. Chua L O, Kang S M Proc. IEEE 64 209 (1976)
  38. Strukov D B Nature 453 80 (2008)
  39. DemV A, ErokhV V Int. J. Unconv. Comput. 12 433 (2016)
  40. Abraham I Sci. Rep. 8 1 (2018)
  41. Isah A, Bilbault J M J. Low Power Electron. Appl. 1 2 (2022)
  42. Emelyanov A V AIP Adv. 6 111301 (2016)
  43. ErokhV Bionanoscience 10 834 (2020)
  44. Lanza M Science 9979 (2022)
  45. Yang J J Nat. Nanotechnol. 3 429 (2008)
  46. Yoon J H Nat. Commun. 9 417 (2018)
  47. Indiveri G, Liu S-C Proc. IEEE 103 1379 (2015)
  48. Jiang H Nat. Electron. 1 548 (2018)
  49. Rai V K, Tripathy S, Mathew J Procedia Comput. Sci. 125 576 (2018)
  50. Mikhaylov A N Chaos, Solitons & Fractals 144 110723 (2021)
  51. Surazhevsky I A Chaos, Solitons & Fractals 146 110890 (2021)
  52. Zhao Q J. Semicond. 34 032001 (2013)
  53. LM-H J. Appl. Phys. 107 124117 (2010)
  54. Martyshov M N Phys. Rev. Appl. 14 034016 (2020)
  55. Matsukatova A N Nano Res. 16 3207 (2023)
  56. Minnekhanov A ACS Appl. Mater. Interfaces 15 54996 (2023)
  57. Li X Nanotechnology 3 5 (2023)
  58. Yeon H Nat. Nanotechnol. 15 574 (2020)
  59. Parshina L Chaos, Solitons & Fractals 161 112384 (2022)
  60. Швецов Б С Российские Нанотехнологии 16 810 (2021); Shvetsov B S Nanotechnol Russia 16 777 (2021)
  61. PanG N Chaos, Solitons & Fractals 142 110523 (2021)
  62. Pazos S Nat. Electron. 7 557 (2024)
  63. Ambrogio S IEEE Trans. Electron Devices 63 1508 (2016)
  64. Мусорин А И УФН 193 1284 (2023); MusorA I Phys. Usp. 66 1211 (2023)
  65. Форш П А УФН 194 905 (2024); Forsh P A Phys. Usp. 67 855 (2024)
  66. Pfeiffer P Sci. Rep. 6 1 (2016)
  67. Stremoukhov S Entropy 25 1 (2023)
  68. Стремоухов С Ю Письма В ЖЭТФ 119 343 (2024); Stremoukhov S Y JETP Lett. 119 352 (2024)
  69. Wang L J. Mater. Sci. Mater. Electron. 26 4618 (2015)
  70. Ielmini D Microelectron. Eng. 190 44 (2018)
  71. Yuan L Adv. Electron. Mater. 7 2100432 (2021)
  72. Christensen D V Neuromorphic Comput. Eng. 2 022501 (2022)
  73. Wang Z Nat. Rev. Mater. 5 173 (2020)
  74. Yang J J, Strukov D B, Stewart D R Nat. Nanotechnol. 8 13 (2013)
  75. Chen J-Y Nano Lett. 13 3671 (2013)
  76. Matsukatova A N Adv. Intell. Syst. 5 2200407 (2023)
  77. Woo H C Adv. Electron. Mater. 8 2200656 (2022)
  78. Prudnikov N V Phys. Status Solidi 220 2200700 (2023)
  79. Мацукатова А Н, Трофимов А Д, Емельянов А В Письма в ЖЭТФ 118 355 (2023); Matsukatova A N, Trofimov A D, Emel'yanov A V JEPT Lett. 118 352 (2023)
  80. Tian Q Appl. Phys. Lett. 122 153502 (2023)
  81. Ryabova M A Nanoscale 16 20628 (2024)
  82. Russo U IEEE Trans. Electron Devices 56 186 (2009)
  83. Lee H D, Magyari-K<$>ddot {rm o}<$>pe B, Nishi Y Phys. Rev. B 81 193202 (2010)
  84. Ielmini D, Bruchhaus R, Waser R Phase Transitions 84 570 (2011)
  85. Lanza M Adv. Electron. Mater. 5 1 (2019)
  86. Sawa A Mater. Today 11 28 (2008)
  87. Prudnikov N V Nanotechnology 35 335204 (2024)
  88. LapkD A Adv. Electron. Mater. 6 2000511 (2020)
  89. Valov I, Kozicki M N J. Phys. D. Appl. Phys. 46 074005 (2013)
  90. L<$>ddot {rm u}<$>bben M, Valov I Adv. Electron. Mater. 5 1800933 (2019)
  91. Minnekhanov A A Org. Electron. 74 89 (2019)
  92. Веденеев А С Письма в ЖЭТФ 106 387 (2017); Vedeneev A S JEPT Lett. 106 411 (2017)
  93. Sebastian A, Le Gallo M, Eleftheriou E J. Phys. D. Appl. Phys. 52 443002 (2019)
  94. Yamada N J. Appl. Phys. 69 2849 (1991)
  95. Fong S W, Neumann C M, Wong H-S P IEEE Trans. Electron Devices 64 4374 (2017)
  96. Ielmini D IEEE Electron Device Lett. 25 507 (2004)
  97. Xu X Nature 589 44 (2021)
  98. Kiselev A V J. Russ. Laser Res. 45 388 (2024)
  99. Gruverman A Nano Lett. 9 3539 (2009)
  100. Slesazeck S, Mikolajick T Nanotechnology 30 352003 (2019)
  101. Andreeva N V Adv. Electron. Mater. 10 2300806 (2024)
  102. Chouprik A Nanomaterials 13 3063 (2023)
  103. Takashima D A 40
  104. B<$>ddot {rm o}<$>scke T S Appl. Phys. Lett. 99 102903 (2011)
  105. Lee J J. Alloys Compd. 990 174371 (2024)
  106. Wu J Nat. Electron. 3 466 (2020)
  107. Wang X, Wang J Nat. Electron. 3 440 (2020)
  108. ParkS S P Nat. Mater. 3 862 (2004)
  109. Slaughter J M Annu. Rev. Mater. Res. 39 277 (2009)
  110. Wang Z Nat. Electron. 2 115 (2019)
  111. Kim Y-B Bi-layered RRAM with unlimited endurance and extremely uniform switching 52
  112. Papandreou N Programming algorithms for multilevel phase-change memory 329
  113. Shiokawa Y AIP Adv. 9 035236 (2019)
  114. Yuklyaevskikh G A Bionanoscience 15 405 (2025)
  115. Vourkas I Exploring the voltage divider approach for accurate memristor state tuning 1
  116. Kim K M Sci. Rep. 6 (2016)
  117. Alibart F Nanotechnology 23 075201 (2012)
  118. Никируй К Э Письма ЖТФ 44 20 (2018); Nikiruy K E Tech. Phys. Lett. 44 416 (2018)
  119. Jiang H Sci. Rep. 6 28525 (2016)
  120. Wong H-S P Proc. IEEE 98 2201 (2010)
  121. Navarro G Trade-off between SET and data retention performance thanks to innovative materials for phase-change memory 21
  122. Valov I Nanotechnology 22 289502 (2011)
  123. Mohammad B Nanotechnol. Rev. 5 311 (2016)
  124. Jiang H, Li C, Xia Q Jpn. J. Appl. Phys. 0802 (2022)
  125. Lanza M ACS Nano 15 17214 (2021)
  126. Chen B Physical mechanisms of endurance degradation in TMO-RRAM 12
  127. Padilla A J. Appl. Phys. 110 054501 (2011)
  128. Raoux S Microelectron. Eng. 85 2330 (2008)
  129. Lee M-J Nat. Mater. 10 625 (2011)
  130. Kim I S High performance PRAM cell scalable to sub-20nm technology with below 203
  131. Boyn S Appl. Phys. Lett. 104 052909 (2014)
  132. Chanthbouala A Nat. Nanotechnol. 7 101 (2012)
  133. Strachan J P Nanotechnology 22 505402 (2011)
  134. Xiong F Science 332 568 (2011)
  135. Grezes C Appl. Phys. Lett. 108 12403 (2016)
  136. Choi B J Adv. Funct. Mater. 5290 (2016)
  137. Rao F Science 358 1423 (2017)
  138. Zhao H J. Phys. D. Appl. Phys. 45 25001 (2011)
  139. Pi S Nat. Nanotechnol. 14 35 (2019)
  140. Golonzka O Non-Volatile RRAM Embedded into 22FFL FinFET Technology
  141. Liang J A 100
  142. Lee K22-nm FD-SOI Embedded MRAM Technology for Low-Power Automotive-Grade-l MCU Applications 27
  143. Song Y J Demonstration of Highly Manufacturable STT-MRAM Embedded in 28 nm Logic 18
  144. Park C Low RA Magnetic Tunnel Junction Arrays in Conjunction with Low Switching Current and High Breakdown Voltage for STT-MRAM at 10 nm and Beyond 185
  145. Gao X S Appl. Phys. Lett. 101 142905 (2012)
  146. Luo Q 8-Layers 3D vertical RRAM with excellent scalability towards storage class memory applications (San Francisco, CA: USA, 2017) p. 2
  147. Yoon K J, Kim Y, Hwang C S Adv. Electron. Mater. 5 1800914 (2019)
  148. Choi Y A 46
  149. Михайлов А Н Нейротехнологии и Нейроэлектроника 1 44 (2024)
  150. Szot K Nat. Mater. 5 312 (2006)
  151. Choi S Nat. Mater. 17 335 (2018)
  152. Li S-S, Su Y-K RSC Adv. 9 2941 (2019)
  153. Zhao L Appl. Phys. Lett. 102 83506 (2013)
  154. Sedghi N Appl. Phys. Lett. 110 102902 (2017)
  155. Dahl S G, Ivans R, Cantley K D Modeling Memristor Radiation Interaction Events and the Effect on Neuromorphic Learning Circuits 1
  156. IlA S Appl. Phys. Lett. 126 143508 (2025)
  157. Zeng T Small 17 2006662 (2021)
  158. Ahn M Adv. Electron. Mater. 7 2001258 (2021)
  159. LC-H C-Y IEEE Electron Device Lett. 29 1108 (2008)
  160. Wang Y Nanotechnology 21 045202 (2010)
  161. Lim S IEEE Electron Device Lett. 39 312 (2018)
  162. Швецов Б С Письма в ЖТФ 45 40 (2019); Shvetsov B S Tech. Phys. Lett. 45 1103 (2019)
  163. Yoon J H APL Mater. 11 90701 (2023)
  164. Li L Nanoscale 12 3267 (2020)
  165. Yang J J Adv. Mater. 22 4034 (2010)
  166. Андреева Н В Российские Нанотехнологии 16 825 (2021); Andreeva N V Nanotechnol Russia 16 790 (2021)
  167. Zhong S, Duan S, Cui Y RSC Adv. 4 40924 (2014)
  168. Филатов Д О ФТП 55 754 (2021); Filatov D O Semiconductors 55 731 (2021)
  169. Li C J. Appl. Phys. 116 114501 (2014)
  170. <?twb=.45w>Мацукатова А Н Письма в ЖТФ 46 25 (2020); Matsukatova A N Tech. Phys. Lett. 46 73 (2020)
  171. Рыльков В В ЖЭТФ 158 164 (2020); Rylkov V V J. Exp. Theor. Phys. 131 160 (2020)
  172. Iliasov A I Nanoscale Horizons 9 238 (2024)
  173. Chen L IEEE Electron Device Lett. 32 794 (2011)
  174. Liu Q ACS Nano 4 6162 (2010)
  175. Uenuma M Nanotechnology 22 215201 (2011)
  176. Banerjee W J. Appl. Phys. 110 074309 (2011)
  177. Wang D-T IEEE Electron Device Lett. 37 878 (2016)
  178. Banerjee W, Maikap S Improvement of resistive switching memory parameters using 1
  179. Fang Z IEEE Electron Device Lett. 32 566 (2011)
  180. Jiang Y Mater. Sci. Semicond. Process. 136 106131 (2021)
  181. Isaev A G, Permyakova O О, RogozhA Е Thin Solid Films 781 139993 (2023)
  182. Park J Chaos, Solitons & Fractals 191 115910 (2025)
  183. Pan C 2D Mater. 4 025099 (2017)
  184. Kormath Madam Raghupathy R Adv. Theory Simulations 2 1900036 (2019)
  185. Pan C Adv. Funct. Mater. 27 1604811 (2017)
  186. Joksas D Adv. Intell. Syst. 4 2200068 (2022)
  187. Novoselov K S Science 9439 (2016)
  188. Sanchez Esqueda I, Zhao H, Wang H J. Appl. Phys. 124 152133 (2018)
  189. Yeon C Small 14 1702747 (2018)
  190. Luo S Nanoscale 13 6654 (2021)
  191. Sangwan V K Nat. Nanotechnol. 10 403 (2015)
  192. Krishnaprasad A ACS Nano 16 2866 (2022)
  193. Wang Y Small 15 1805431 (2019)
  194. Liu P Appl. Phys. Lett. 121 233501 (2022)
  195. Bala A ACS Nano 17 4296 (2023)
  196. Mu B J. Mater. Chem. C 8 12714 (2020)
  197. Gao S Chem. Soc. Rev. 48 1531 (2019)
  198. Park H-L, Lee T-W Org. Electron. 98 106301 (2021)
  199. Odintsov D S Chem. Phys. Chem. 202400266 (2024)
  200. Lee Y Joule 5 794 (2021)
  201. van de Burgt Y, Gkoupidenis P MRS Bull. 45 631 (2020)
  202. Matsukatova A N Org. Electron. 102 106455 (2022)
  203. Trofimov A D Nanoscale 17 8484 (2025)
  204. Zhu X, Lee J, Lu W D Adv. Mater. 29 1700527 (2017)
  205. Yoo E J Adv. Mater. 27 6170 (2015)
  206. Chen Q Adv. Electron. Mater. 5 1800852 (2019)
  207. Shi Y Nat. Commun. 9 5312 (2018)
  208. Wang C-H 3D Monolithic Stacked 1T1R cells using Monolayer 22
  209. Pedretti G Sci. Rep. 7 5288 (2017)
  210. Lastras-Monta<$>tilde {rm n}<$>o M A, Cheng K-T Nat. Electron. 1 466 (2018)
  211. Yousefi A, Eslami N, Moaiyeri M H IEEE Access 10 105040 (2022)
  212. Zhang L IEEE Electron Device Lett. 35 199 (2014)
  213. Aluguri R, Tseng T-Y IEEE J. Electron Devices Soc. 4 294 (2016)
  214. Chen H-Y J. Electroceramics 39 21 (2017)
  215. Tang J ECRAM as Scalable Synaptic Cell for High-Speed, Low-Power Neuromorphic Computing 13
  216. Fuller E J Adv. Mater. 29 1604310 (2017)
  217. van de Burgt Y Nat. Mater. 16 414 (2017)
  218. Matsukatova A N Nanomaterials 1 2 (2022)
  219. Sheridan P M Nat. Nanotechnol. 12 784 (2017)
  220. Du C Nat. Commun. 8 1 (2017)
  221. Wang Z Nat. Commun. 11 1510 (2020)
  222. Ильясов А И Письма в ЖТФ 47 3 (2021); Il'yasov A I Tech. Phys. Lett. 47 656 (2021)
  223. DemV A Neural Networks 134 64 (2021)
  224. Никируй К Э Российские Нанотехнологии 16 761 (2021); Nikiruy K E Nanotechnol Russia 16 732 (2021)
  225. Stasenko S V Chaos, Solitons & Fractals 181 114648 (2024)
  226. Масленников О В др. УФН 192 1089 (2022); Maslennikov O V Phys. Usp. 65 1020 (2022)
  227. Vlasov D Neural Networks 166 512 (2023)
  228. Ji X AIP Conf. Proc. 2073 20094 (2019)
© Успехи физических наук, 1918–2026
Электронная почта: ufn@ufn.ru Телефоны и адреса редакции О журнале Пользовательское соглашение