Разработан чип памяти, способный работать при температуре 700 °C.

Электроника в наших телефонах, автомобилях и каждом спутнике, который сейчас летает над Землей, имеет одно слабое место — тепло. Если температура превысит 200 градусов по Цельсию, это гарантированно повредит любое устройство. На протяжении десятилетий температурный потолок был одним из самых жестких ограничений в технике. И теперь, похоже, им удалось это преодолеть.

Университет Южной Калифорнии создал электронное запоминающее устройство, которое сохраняет работоспособность при температуре 700 °C. Причем это не предел – просто лабораторное оборудование не дает более высокой температуры. Статья о новинке опубликована в журнале Science.

В основе устройства лежит мемристор — компонент размером в несколько нанометров, способный одновременно хранить информацию и выполнять вычислительные операции. Первый автор статьи Цзянь Чжао спроектировал его по принципу сэндвича: два слоя электродов снаружи и тонкая керамика между ними. Верхний слой выполнен из вольфрама, средний — оксид гафния, нижний — графен.

В результате появилась ячейка, которая хранит данные более 50 часов при температуре 700 градусов без необходимости обновления, выдерживает более миллиарда циклов переключения при той же температуре со скоростью, измеряемой десятками наносекунд, и работает всего от 1,5 В.

Случайное открытие

Изначально исследователи пытались создать совершенно другое устройство на основе графена. Это не сработало так, как предполагалось. Но в процессе учёные наткнулись на то, чего совершенно не ожидали.

«Честно говоря, это произошло случайно, как и большинство открытий», — признает профессор Джошуа Янг, руководивший работой. «Если вы можете это предсказать, результат обычно не является сюрпризом и, вероятно, не имеет большого значения».

Углубившись в исследование, команда поняла, почему их устройство работает. В обычном мемристоре тепло заставляет атомы металла из верхнего электрода медленно мигрировать через керамический слой, достигать нижнего электрода и закорачивать элемент.

Графен мешает этому процессу. По словам Янга, химия его поверхности при взаимодействии с вольфрамом аналогична смеси масла и воды. Атомы вольфрама, достигшие поверхности графена, не могут прикрепиться к ней и мигрировать обратно. Нет якоря – нет короткого замыкания, нет пробоя.

Как это работает

Ученые не просто наблюдали этот эффект. Используя передовую электронную микроскопию, спектроскопию и квантовое компьютерное моделирование, они обнаружили, что именно происходит на атомном уровне на границе раздела графена и вольфрама. Именно понимание механизмов превращает одну удачную находку во что-то действительно полезное, убежден профессор. Теперь можно найти и протестировать другие материалы с аналогичными свойствами, что в будущем упростит промышленное производство подобных устройств.

Космос уже давно нуждается в электронике, способной работать при температурах выше 500 градусов Цельсия — примерно настолько жарко, что находится на поверхности Венеры, что уничтожило все отправленные туда десантные аппараты. Современные кремниевые чипы выходят из строя даже при значительно более низких температурах.

«Мы преодолели порог в 700 градусов и думаем, что сможем подняться еще выше», — говорит Янг.

Потенциальные возможности применения выходят далеко за рамки исследования планет. Бурение глубоких скважин для получения геотермальной энергии требует электроники, способной выжить там, где окружающие породы раскалены докрасна. Ядерные и термоядерные энергетические системы выделяют сильное тепло вблизи контрольного оборудования. Даже в обычных условиях такое решение имеет практическое преимущество: устройство, рассчитанное на 700 градусов, будет неуязвимо при пиковых 125 градусах, с которыми постоянно сталкиваются автомобильные компьютеры.

Прорыв в области искусственного интеллекта

Помимо хранения данных, это устройство имеет вторую функцию, что делает его особенно актуальным для искусственного интеллекта. В основе почти каждой задачи ИИ, от распознавания изображений до обработки языка, лежит умножение матриц. Современные цифровые компьютеры выполняют эту операцию последовательно, шаг за шагом, затрачивая невероятное количество энергии.

Мемристор делает это по-другому. Он физически умножает напряжение на проводимость, действуя непосредственно по закону Ома. Ответ – текущая сила.

"Более 92% вычислений в системах искусственного интеллекта, таких как ChatGPT, — это не что иное, как умножение матриц. Этот тип устройств может выполнять их максимально эффективно — на порядки быстрее и с меньшим энергопотреблением», — объясняет Янг.

Вместе с тремя соавторами он основал стартап TetraMem, который занимается коммерциализацией мемристорных элементов для искусственного интеллекта, работающих при комнатной температуре. В его лаборатории есть полноценные чипы, которые студенты используют каждый день для выполнения задач машинного обучения со скоростью и эффективностью, недостижимыми с помощью обычного оборудования.

Будущее новинок

Ян осторожен в своих прогнозах и не преувеличивает близость этого будущего. Память сама по себе не делает компьютер целостным. Также необходимо разработать и интегрировать с ним высокотемпературные логические схемы. Кроме того, нынешние устройства изготавливаются вручную на субмикронном уровне в лаборатории. Масштабирование займет время.

"Это только первый шаг. Нам предстоит пройти еще долгий путь. Но если посмотреть на это логически, то теперь ясно, что это возможно. Недостающего звена больше нет", - заключает исследователь.

С точки зрения производства два из трех материалов устройства — вольфрам и оксид гафния — уже давно используются на полупроводниковых заводах по всему миру. Графен — новичок в отрасли, но TSMC и Samsung уже включили его в свои планы развития, а лаборатории научились выращивать его на пластинах диаметром до 300 мм.