Højtemperatur Hukommelseslagring Kommer Tættere på Realisering med Seneste Gennembrud

Ultra-Højtemperatur Elektronik

Efterhånden som menneskeheden presser sin teknologi længere frem, står den over for stadig mere ekstreme forhold, herunder varme. Dette håndteres ofte med avancerede materialer som sammensatte keramik eller specielle sjældne metaller som tungsten, titanium, eller rhodium (følg linkene for en detaljeret investeringsguide for hvert metal).

At håndtere ekstreme forhold bliver lidt mere kompliceret, når elektroniske komponenter er involveret. En raket titaniumskal kan modstå varme, men vil på længere sigt ikke forhindre varmen i at trænge ind.

De fleste computerchips er designet til at udføre komplekse operationer på nanometerskala, hvilket gør dem meget følsomme over for temperaturændringer. Og selvom der kan foretages en vis hærdning, kan ingen klassisk elektrisk kredsløb fungere, når en bestemt temperaturgrænse overskrides.

For at holde elektroniske styringer i rumfartøjer, atomkraftværker eller boreanlæg, anvendes avancerede kølesystemer til at beskytte de elektroniske elementer mod det omgivende miljø.

Derfor kan en nyudviklet form for digital hukommelse, der kan gemme og skrive information ved temperaturer over 1100°F (600°C), altså smeltetemperaturen for stål, være en game changer.

Denne præstation af forskere fra University of Michigan og Sandia National Laboratories blev offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Device under titlen “Nonvolatile electrochemical memory at 600°C enabled by composition phase separation”.

Oxygenbaseret Hukommelse

Denne hukommelsesmetode fungerer ved at flytte negativt ladede oxygenatomer i stedet for elektroner. Over 300°F (150°C) begynder konventionelle siliciumbaserede halvledere at lede ukontrollerbare strømme.

Resultatet er, at i klassisk elektronik kan høje temperaturer udslette information i enhedens hukommelse. Dog påvirkes oxygenioner ikke af varmen.

Hvordan Det Virker

Oxygenatomerne flyttes mellem to lag i hukommelsen — halvlederens tantalomoxid og metallet tantalom.

Kilde: Cell Device

Bevægelsen muliggøres af en fast elektrolyt, der fungerer som en barriere ved at forhindre andre ladninger i at bevæge sig mellem lagene. Tantalom- og tantalomoxidlagene blander sig ikke, ligesom olie og vand, så disse nye lag vil ikke vende tilbage til den oprindelige tilstand, før spændingen skiftes.

Oxygenionerne styres af en række på tre platin-elektroder.

Dette ligner faktisk meget, hvordan et batteri lader og aflader, bortset fra at denne proces optimerer strukturel bevarelse af information i stedet for kemisk energi.

Kilde: Cell Device

Informationsstatus kan gemmes over 1100 °F i mere end 24 timer.

Kun Et Første Skridt

Denne videnskabelige publikation var i virkeligheden mere et bevis på konceptet end noget andet. Den oprindelige enhed gemmer kun én bit information, men der er ingen teoretisk grænse for en meget større hukommelseskapacitet.

“Indtil videre har vi bygget en enhed, der holder én bit, på niveau med andre højtemperatur computerhukommelsesdemonstrationer. Med mere udvikling og investering kunne den i teorien holde megabytes eller gigabytes af data.”

Yiyang Li – U-M assisterende professor i materialvidenskab og -ingeniørkunst

I sig selv er denne teknologi relativt ens i sin ydeevne med andre materialer, der er udviklet til gen‑skrivbar, højtemperaturhukommelse (såsom ferroelectric hukommelse og polykrystallinske platin‑elektrode nanogab).

Den har dog en hel del unikke fordele, der gør den mere sandsynlig at være værd at forbedre:

• Den kan køre ved lavere spændinger end nogle af de førende alternativer.
• Den kan levere flere analoge tilstande til in-memory computing.
  • Finere kontrol af oxygengradienten kunne muliggøre beregning inde i hukommelsen, med mere end 100 modstandstilstande i stedet for en simpel binær.
• In-memory computing kunne være muligt, hvilket tillader simple beregninger udført af hukommelsen uden at tilføje en klassisk siliciumbaseret chip.

Højtemperatur AI?

En sådan analog kapacitet med kompleks dataindkodning i stedet for den enklere 0 & 1 binær kan hjælpe med at reducere strømforbruget drastisk.

Dette kunne være en game changer for at anvende noget, der ligner AI-teknologi i højtemperaturmiljøer. Konventionel computing ville være for strømforbrugende, selv en kilde til varme, som nogle gange er vanskelig at håndtere under normale forhold. At gøre det ved 500-600°C er næsten umuligt.

“Der er stor interesse i at bruge AI til at forbedre overvågning i disse ekstreme indstillinger, men de kræver kraftige processorchips, der bruger meget strøm, og mange af disse ekstreme indstillinger har også strenge strømbudgetter.

In-memory computing chips kunne hjælpe med at behandle noget af dataene, før de når AI-chipsene, og reducere enhedens samlede strømforbrug.

Alec Talin – Seniorforsker i afdelingen for kemi, forbrænding og materialvidenskab ved Sandia National Laboratories

Begrænsninger

En væsentlig begrænsning ved denne teknologi er, at den kun fungerer ved høje temperaturer. Ny information kan kun skrives på enheden over 500°F (250°C).

Så hvis hukommelsen skal bruges både ved høje og lave temperaturer, kan dette udgøre et alvorligt problem. Og selvom forskerne foreslår, at en varmelegeme kan løse problemet for enheder, der også skal fungere ved lavere temperaturer, er dette sandsynligvis ikke ideelt.

Anvendelser

Denne type højtemperaturhukommelse og elektroniske systemer ville være ideel til at måle data og udføre beregninger i ekstreme miljøer.

For eksempel:

• Luftfartsingeniørkunst: I jetmotorer, hvor interne temperaturer kan være ekstremt høje, kunne denne hukommelsesteknologi muliggøre ombord dataregistrering og realtidsmonitoreringssystemer, der fungerer pålideligt uden behov for omfattende kølemekanismer.
• Energisektor: Geotermisk energiudvinding involverer udstyr, der udsættes for høje underjordiske temperaturer. Implementering af denne varmemodstandsdygtige hukommelse kunne forbedre holdbarheden og effektiviteten af downhole‑overvågningsinstrumenter, hvilket fører til mere effektiv ressourceforvaltning.
• Industriproduktion: Processer såsom metalforgning og glasproduktion foregår ved forhøjede temperaturer. Integration af denne hukommelsesteknologi i styresystemer kunne forbedre procesovervågning og automatisering, reducere nedetid og vedligeholdelsesomkostninger.
• Rumforskning: På planeter med ekstreme overfladetemperaturer, som Venus, fejler traditionel elektronik. Denne fremskridt kunne muliggøre udviklingen af sonder og rovere, der kan udføre forlængede missioner i sådanne barske forhold, og udvide vores udforskningskapacitet.
• Kerneenergi: Komponenter udsættes for intens varme og stråling. Anvendelse af denne robuste hukommelse kunne forbedre modstandsdygtigheden og levetiden for reaktor‑overvågningssystemer, hvilket bidrager til sikrere og mere effektiv energiproduktion.

Tantalum Elektronikvirksomhed

Vishay Intertechnology

Efterhånden som tantalumbaseret elektronik finder nye anvendelser til højtemperaturforhold i avanceret teknologi som luftfart og geotermisk energi, kan de nuværende ledere i segmentet drage fordel på lang sigt.

Tantalum anvendes i øjeblikket primært til kondensatorer, hvilket muliggør et meget tyndt dielektrisk lag og giver høje kapacitetsværdier i mindre kabinetstørrelser.

Vishay tilbyder overflademonterede og gennemgående tantalumkondensatorer til brug i bilindustrien, militæret, bærbare forbrugerenheder, medicinsk udstyr og mange andre anvendelser.

Kilde: Vishay

Virksomheden producerer også strøm‑elektronik (siliciumkarbid) og andre elektroniske komponenter: dioder, MOSFET (metal‑oxide‑semiconductor felt‑effekt‑transistor), optoelektroniske sensorer, modstande, magneter og andre typer kondensatorer.

De største kategorier efter omsætning er: modstande, MOSFET‑er og dioder.

Dette giver Vishay den “verdens største portefølje af diskrete halvledere og passive komponenter”.

Kilde: Vishay

Størstedelen af virksomhedens salg kommer fra Asien (39%) og Europa (35%), med produktionsfaciliteter i Nordamerika, Asien og Europa.

Virksomhedens ekspertise i at producere elektronik fremstillet af elektronisk materiale vil være en fordel, efterhånden som branchen udvider sig ud over siliciumchips og nye materialer.

Virksomheden gennemgår i øjeblikket et omstruktureringsprogram, lukker 3 faciliteter inden udgangen af 2026 og reducerer medarbejderstaben med 6 % for at spare $23 M årligt. Samtidig udvider den produktionen, hvor det er nødvendigt, med en investering på $2,6 mia i kapacitetsudvidelse over de næste 4 år. Dette skal sammenlignes med en omsætning på $720 M i Q3 2024 og en politik om at returnere omkring $100 M til aktionærerne.

Samlet set bør Vishays produktionskompetence inden for komplekse elektroniske komponenter i strøm‑ og halvlederapplikationer, der bruger eksotiske metaller som tantalom, være nyttig i at øge salget fra udviklingen af vedvarende energi, 5G‑telekommunikation, elbiler og luftfart.

Studierreferencer:

^{1. Li, J., et al. (2024). Ikke‑flygtig elektrokemisk hukommelse ved 600°C muliggort af sammensætningsfase‑separation. Device. https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100623}