Разработан чип памяти, способный работать при 700 °C
Электроника в наших телефонах, автомобилях и каждом спутнике, который сейчас летит над Землей, имеет одно уязвимое место — тепло. Стоит температуре превысить 200 градусов Цельсия — это гарантированно выведет из строя любое устройство. Десятилетиями температурный потолок был одним из самых жестких ограничений в инженерии. И вот, похоже, его удалось преодолеть.
В Южно-Калифорнийском университете создано электронное запоминающее устройство, сохраняющее работоспособность при 700 °C. Причем это не предел — просто лабораторное испытательное оборудование не дает большей температуры. Статья о новинке вышла в журнале Science.
В основе устройства — мемристор, компонент размером в несколько нанометров, способный одновременно хранить информацию и выполнять вычислительные операции. Первый автор статьи Цзянь Чжао сконструировал его по принципу сэндвича: два слоя электродов снаружи и тонкая керамика между ними. Верхний слой сделан из вольфрама, в середине — оксид гафния, а снизу — графен.
В результате получился элемент, который хранит данные более 50 часов при 700 градусах без необходимости обновления, выдерживает более миллиарда циклов переключения при этой же температуре со скоростью, измеримой десятками наносекунд, и работает всего от 1,5 вольт.
Случайное открытие
Изначально исследователи пытались создать совершенно другое устройство на основе графена. Оно не заработало так, как задумывалось. Но в процессе ученые наткнулись на нечто, чего совсем не ожидали.
«Честно говоря, это произошло случайно, как и большинство открытий, — признается руководивший работой профессор Джошуа Янг. — Если ты можешь это предсказать, то результат обычно не становится неожиданностью и, скорее всего, не имеет большого значения».
Углубившись в исследования, команда поняла, почему их устройство работает. В обычном мемристоре из-за жара атомы металла из верхнего электрода начинают медленно мигрировать через керамический слой, достигают нижнего электрода и замыкают элемент накоротко.
Графен препятствует этому процессу. По словам Янга, его поверхностная химия во взаимодействии с вольфрамом подобна смеси масла и воды. Атомы вольфрама, которые достигают поверхности графена, не могут на ней закрепиться и мигрируют обратно. Нет якоря — нет короткого замыкания, нет поломки.
Как это работает
Ученые не просто наблюдали этот эффект. С помощью передовой электронной микроскопии, спектроскопии и квантовых компьютерных симуляций они выяснили, что именно происходит на атомарном уровне на границе между графеном и вольфрамом. Именно понимание механизмов превращает единичную удачную находку в нечто по-настоящему полезное, убежден профессор. Теперь можно находить и проверять другие материалы со схожими свойствами, что в перспективе упростит промышленное производство таких устройств.
Космос давно нуждается в электронике, способной работать при температуре выше 500 градусов Цельсия — примерно до такой раскалена поверхность Венеры, которая погубила все отправленные туда посадочные аппараты. Современные кремниевые чипы выходят из строя уже при значительно меньшем нагреве.
«Мы преодолели порог в 700 градусов и полагаем, что можем пойти еще выше», — считает Янг.
Потенциальные сферы применения выходят далеко за пределы планетных исследований. При бурении глубоких скважин для геотермальной энергетики требуется электроника, способная выживать там, где окружающие породы раскалены докрасна. Ядерные и термоядерные энергосистемы генерируют сильный нагрев вблизи управляющего оборудования. Даже в обычных условиях у такого решения есть практическое преимущество: устройство, рассчитанное на 700 градусов, будет неуязвимым при пиковых 125 градусах, с которыми постоянно сталкиваются автомобильные компьютеры.
Прорыв для ИИ
Помимо хранения данных, у этого устройства есть вторая функция, делающая его особенно актуальным для искусственного интеллекта. Основа практически любой задачи ИИ — от распознавания изображений до обработки языка — матричное умножение. Современные цифровые компьютеры выполняют эту операцию последовательно, шаг за шагом, тратя немыслимое количество энергии.
Мемристор делает это иначе. Он физически умножает напряжение на проводимость, действуя прямо по закону Ома. Ответом становится сила тока.
«Более 92% вычислений в таких системах ИИ, как ChatGPT — это не что иное, как матричное умножение. Этот тип устройств способен 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 ИИ, работающих при комнатной температуре. В его лаборатории есть полноценные чипы, которые студенты ежедневно используют для выполнения задач машинного обучения на скоростях и с эффективностью, недостижимой для обычного оборудования.
Будущее новинки
Янг осторожен в прогнозах и не преувеличивает близость этого будущего. Сама по себе память еще не делает компьютер полноценным. Необходимо также разработать и интегрировать с ней высокотемпературные логические схемы. К тому же, текущие устройства были изготовлены вручную на субмикронном уровне в лаборатории. Масштабирование потребует времени.
«Это только первый шаг. Нам предстоит еще долгий путь. Но если смотреть логически, теперь понятно, что это возможно. Больше нет недостающего звена», — заключает исследователь.
С точки зрения производства, два из трех материалов в устройстве — вольфрам и оксид гафния — уже давно применяются на полупроводниковых фабриках по всему миру. Графен для индустрии новее, но TSMC и Samsung уже включили его в свои дорожные карты развития, а лаборатории научились выращивать на пластинах диаметром до 300 мм.
