Комп'ютерна пам'ять одного разу зможе витримувати палючі температури в термоядерних реакторах, реактивних двигунах, геотермальних свердловинах і на виснажливих планетах за допомогою нового твердотілого пристрою, розробленого групою інженерів під керівництвом Мічиганського університету.
На відміну від звичайної кремнієвої пам'яті, новий пристрій може зберігати та перезаписувати інформацію при температурах понад 1100 °F (600 °C) — вище, ніж температура поверхні Венери та температура плавлення свинцю. Він був розроблений у співпраці з дослідниками з Національної лабораторії Сандія.
"Він може дозволити розробку електронних пристроїв, які раніше не існували для високотемпературних додатків", — сказав Іян Лі, доцент кафедри матеріалознавства та інженерії університету Мічигану і старший автор-кореспондент дослідження, опублікованого в журналі Device, видавництві Cell Press.
«На цей момент ми створили пристрій, який зберігає один біт нарівні з іншими демонстраціями високотемпературної комп'ютерної пам'яті. За подальшого розвитку та інвестицій він теоретично може зберігати мегабайти або гігабайти даних».
Однак для пристроїв, які не знаходяться при екстремальних температурах постійно, є компроміс: нова інформація може бути записана на пристрій лише за температури вище 500 °F (250 °C). З усім тим, дослідники припускають, що нагрівач може розв'язати проблему для пристроїв, які також повинні працювати за нижчих температур.
Термостійка пам'ять виникає з допомогою переміщення негативно заряджених атомів кисню, а не електронів. При нагріванні вище 300 °F (150 °C) звичайні напівпровідники на основі кремнію починають проводити неконтрольовані рівні струму. Оскільки електроніка точно виготовляється для певних рівнів струму, то високі температури можуть стерти інформацію з пам'яті пристрою. Але іони кисню всередині пристрою дослідників не переймаються нагріванням.
Вони переміщуються між двома шарами пам'яті — напівпровідниковим оксидом танталу і металевим танталом — через твердий електроліт, який діє як бар'єр, не даючи іншим зарядам переміщатися між шарами. Іони кисню направляються серією з трьох платинових електродів, які контролюють, чи кисень втягується в оксид танталу або виштовхується з нього. Весь процес схожий на те, як заряджається та розряджається батарея; однак, замість того, щоб зберігати енергію, цей електрохімічний процес використовується для зберігання інформації.
Після того, як атоми кисню залишають шар оксиду танталу, залишається невелика область металевого танталу. Водночас шар оксиду танталу аналогічним чином покриває шар металевого танталу на протилежній стороні бар'єра. Шари танталу та оксиду танталу не змішуються, подібно до масла і води, тому ці нові шари не повернуться у вихідний стан, поки не відбудеться перемикання напруги.
Залежно від вмісту кисню в оксиді танталу він може діяти як ізолятор або провідник, дозволяючи матеріалу перемикатися між двома різними станами напруги, які представляють цифрові нулі та одиниці. Точніший контроль градієнта кисню може дозволити виконувати обчислення всередині пам'яті з більш ніж 100 станами опору замість простого двійкового коду. Такий підхід допоможе знизити енергоспоживання.
"Використання ШІ для покращення моніторингу в цих екстремальних умовах викликає великий інтерес, але для цього потрібні потужні процесорні чіпи, які працюють на великій потужності, і багато з цих екстремальних налаштувань також мають суворі бюджети потужності", — сказав Алек Талін, старший науковий співробітник відділу хімії, горіння та матеріалознавства в Sandia National Laboratories та співавтор дослідження.
"Обчислювальні чіпи в пам'яті можуть допомогти обробити частину цих даних до того, як вони потраплять у чипи ШІ, і знизити загальне енергоспоживання пристрою".
Інформаційні стани можуть зберігатись при температурі вище 1100 °F понад 24 годин. Хоча цей рівень термостійкості можна порівняти з іншими матеріалами, які були розроблені для високотемпературної пам'яті, що перезаписується, новий пристрій має й інші переваги. Він може працювати при більш низьких напругах, ніж деякі з провідних альтернатив, а саме, сегнетоелектрична пам'ять та полікристалічні платинові електродні нанозазори, і може забезпечити більше аналогових станів для обчислень у пам'яті.
Дослідження фінансується Національним науковим фондом, програмою лабораторних досліджень та розробок Sandia та Інженерним коледжем університету Мічигану. Пристрій був створений у нанофабрикаційному центрі Lurie та вивчений у Мічиганському центрі з вивчення характеристик матеріалів.
