Computing
Hochtemperatur‑Speicher rückt mit dem neuesten Durchbruch näher an die Marktreife
Ultra-Hochtemperatur‑Elektronik
Während die Menschheit ihre Technologie immer weiter vorantreibt, muss sie sich immer extremeren Bedingungen stellen, einschließlich Hitze. Dies wird häufig mit fortschrittlichen Materialien wie Verbundkeramiken oder speziellen seltenen Metallen wie tungsten, titanium oder rhodium (den Links folgen detaillierte Investitionsleitfäden für jedes Metall) bewältigt.
Der Umgang mit extremen Bedingungen wird etwas komplizierter, wenn elektronische Bauteile ins Spiel kommen. Eine Titanhülle einer Rakete kann Hitze standhalten, verhindert jedoch langfristig nicht, dass Wärme eindringt.
Die meisten Computerchips sind dafür ausgelegt, komplexe Vorgänge im Nanometerskalenbereich auszuführen, wodurch sie sehr empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen sind. Und obwohl eine gewisse Härtung möglich ist, kann ab einem bestimmten Temperaturschwellenwert kein klassischer Stromkreis mehr funktionieren.
Um elektronische Steuerungen in Raumschiffen, Kernkraftwerken oder Bohrsystemen zu erhalten, werden fortschrittliche Kühlsysteme eingesetzt, die die elektronischen Elemente vor der Umgebung schützen.
Deshalb könnte eine neu entwickelte Form des digitalen Speichers, die Informationen bei Temperaturen über 1100 °F (600 °C), also der Schmelztemperatur von Stahl, speichern und schreiben kann, ein Wendepunkt sein.
Diese Leistung von Forschern der University of Michigan und der Sandia National Laboratories wurde in der Fachzeitschrift Device veröffentlicht, unter dem Titel „Nichtflüchtiger elektrochemischer Speicher bei 600 °C, ermöglicht durch Phasenseparation der Zusammensetzung1“.
Sauerstoffbasierter Speicher
Diese Speichertechnik funktioniert, indem negativ geladene Sauerstoffatome statt Elektronen bewegt werden. Über 300 °F (150 °C) beginnen konventionelle siliziumbasierte Halbleiter, unkontrollierbare Stromstärken zu leiten.
Das Ergebnis ist, dass in klassischer Elektronik hohe Temperaturen Informationen im Speicher des Geräts löschen können. Sauerstoffionen hingegen werden von der Hitze nicht beeinflusst.
Wie es funktioniert
Die Sauerstoffatome werden zwischen zwei Schichten im Speicher bewegt – dem Halbleiter‑Tantaloxid und dem Metall‑Tantal.
Quelle: Cell Device
Die Bewegung wird durch einen festen Elektrolyten ermöglicht, der als Barriere wirkt, indem er andere Ladungen daran hindert, zwischen den Schichten zu wandern. Die Tantal‑ und Tantaloxid‑Schichten vermischen sich nicht, ähnlich wie Öl und Wasser, sodass diese neuen Schichten erst nach Umschalten der Spannung nicht mehr in den ursprünglichen Zustand zurückkehren.
Die Sauerstoffionen werden von einer Reihe aus drei Platin‑Elektroden geleitet.
Das ist tatsächlich dem Ladevorgang und der Entladung einer Batterie sehr ähnlich, jedoch optimiert dieser Prozess die strukturelle Speicherung von Informationen statt chemischer Energie.
Quelle: Cell Device
Die Informationszustände können über 1100 °F für mehr als 24 Stunden gespeichert werden.
Nur ein erster Schritt
Diese wissenschaftliche Veröffentlichung war eher ein Machbarkeitsnachweis als alles andere. Das Anfangsgerät speichert nur ein Bit Information, doch es gibt keine theoretische Grenze für ein deutlich größeres Speichervolumen.
„Bisher haben wir ein Gerät gebaut, das ein Bit hält, vergleichbar mit anderen Hochtemperatur‑Computer‑Speicher‑Demonstrationen. Mit mehr Entwicklung und Investitionen könnte es theoretisch Megabytes oder Gigabytes an Daten speichern.“
Yiyang Li – U-M Assistenzprofessor für Werkstoffwissenschaft und -technik
An sich ist diese Technologie in ihrer Leistung relativ ähnlich zu anderen Materialien, die für wiederbeschreibbare Hochtemperatur‑Speicher entwickelt wurden (wie ferroelektrischer Speicher und polykristalline Platin‑Elektroden‑Nanolücken).
Sie hat jedoch einige einzigartige Vorteile, die sie eher zu einer lohnenswerten Weiterentwicklung machen:
- Sie kann bei niedrigeren Spannungen betrieben werden als einige der führenden Alternativen.
- Sie kann mehr analoge Zustände für In‑Memory‑Computing bereitstellen.
- Eine feinere Steuerung des Sauerstoffgradienten könnte das Rechnen im Speicher ermöglichen, mit mehr als 100 Widerstandszuständen statt einer einfachen Binärdarstellung.
- In‑Memory‑Computing könnte möglich sein, wodurch einfache Berechnungen vom Speicher selbst durchgeführt werden können, ohne einen klassischen siliziumbasierten Chip hinzuzufügen.
KI bei hohen Temperaturen?
Eine solche analoge Kapazität mit komplexer Datenkodierung anstelle des einfachen 0‑ & 1‑Binärsystems könnte den Stromverbrauch drastisch senken.
Dies könnte ein Wendepunkt für den Einsatz von KI‑Technologien in Hochtemperatur‑Umgebungen sein. Konventionelles Rechnen wäre zu energieintensiv und selbst eine Wärmequelle, die unter normalen Bedingungen schwer zu handhaben ist. Unter Bedingungen von 500‑600 °C zu arbeiten ist nahezu unmöglich.
„Es gibt großes Interesse daran, KI zur Verbesserung der Überwachung in diesen extremen Umgebungen einzusetzen, aber sie erfordern leistungsstarke Prozessorchips, die viel Energie verbrauchen, und viele dieser extremen Umgebungen haben zudem strenge Energiebudgets.
In‑Memory‑Computing‑Chips könnten dabei helfen, einen Teil dieser Daten zu verarbeiten, bevor sie die KI‑Chips erreichen, und den Gesamtenergieverbrauch des Geräts zu reduzieren.“
Einschränkungen
Eine wesentliche Einschränkung dieser Technologie ist, dass sie nur bei hohen Temperaturen funktioniert. Neue Informationen können nur über 500 °F (250 °C) auf das Gerät geschrieben werden.
Wenn der Speicher also sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Temperaturen eingesetzt werden muss, kann das ein ernstes Problem darstellen. Und obwohl die Forscher vorschlagen, dass ein Heizelement das Problem für Geräte lösen könnte, die auch bei niedrigeren Temperaturen funktionieren müssen, ist dies wahrscheinlich nicht ideal.
Anwendungen
Eine solche Hochtemperatur‑Speicher‑ und Elektroniklösung wäre ideal, um Daten zu messen und Berechnungen in extremen Umgebungen durchzuführen.
Zum Beispiel:
- Luft- und Raumfahrttechnik: In Strahltriebwerken, wo die Innentemperaturen extrem hoch sein können, könnte diese Speichertechnologie die On‑Board‑Datenaufzeichnung und Echtzeit‑Überwachungssysteme zuverlässig funktionieren lassen, ohne umfangreiche Kühlmechanismen zu benötigen.
- Energiesektor: Die geothermische Energiegewinnung beinhaltet Geräte, die hohen unterirdischen Temperaturen ausgesetzt sind. Der Einsatz dieses hitzebeständigen Speichers könnte die Haltbarkeit und Effizienz von Bohrloch‑Überwachungsinstrumenten verbessern und zu einer effektiveren Ressourcenverwaltung führen.
- Industrielle Fertigung: Prozesse wie Metallforgierung und Glasproduktion arbeiten bei erhöhten Temperaturen. Die Integration dieser Speichertechnologie in Steuerungssysteme könnte die Prozessüberwachung und -automatisierung verbessern, Ausfallzeiten und Wartungskosten reduzieren.
- Weltraumerkundung: Auf Planeten mit extremen Oberflächentemperaturen, wie der Venus, versagen herkömmliche Elektronikbauteile. Dieser Fortschritt könnte die Entwicklung von Sonden und Rover ermöglichen, die in solchen harten Bedingungen langfristige Missionen durchführen und so unsere Erkundungsfähigkeiten erweitern.
- Kernenergie: Komponenten sind intensiver Hitze und Strahlung ausgesetzt. Der Einsatz dieses robusten Speichers könnte die Widerstandsfähigkeit und Langlebigkeit von Reaktor‑Überwachungssystemen verbessern und zu einer sichereren und effizienteren Energieproduktion beitragen.
Tantalum Electronic Company
Vishay Intertechnology
(VSH )
Da tantalumbasierte Elektronik neue Anwendungen für Hochtemperaturbedingungen in fortschrittlichen Technologien wie Luft- und Raumfahrt sowie Geothermie findet, könnten die aktuellen Marktführer langfristig profitieren.
Tantal wird derzeit hauptsächlich für Kondensatoren verwendet, was eine sehr dünne Dielektrikschicht ermöglicht und hohe Kapazitätswerte in kleineren Gehäusegrößen liefert.
Vishay bietet oberflächenmontierte und Durchsteck‑Tantal‑Kondensatoren für den Einsatz in der Automobilindustrie, im Militär, in tragbaren Verbrauchergeräten, medizinischen Geräten und vielen anderen Anwendungen an.
Quelle: Vishay
Das Unternehmen produziert zudem Leistungselektronik (Siliziumkarbid) und weitere elektronische Bauteile: Dioden, MOSFETs (Metall‑Oxid‑Halbleiter‑Feldeffekt‑Transistoren), optoelektronische Sensoren, Widerstände, Magnete und andere Arten von Kondensatoren.
Die umsatzstärksten Kategorien sind: Widerstände, MOSFETs und Dioden.
Damit verfügt Vishay über das „weltgrößte Portfolio an diskreten Halbleitern und passiven Bauelementen der Welt“.
Quelle: Vishay
Der größte Teil des Umsatzes des Unternehmens stammt aus Asien (39 %) und Europa (35 %), wobei Fertigungsstätten in Nordamerika, Asien und Europa vorhanden sind.
Die Expertise des Unternehmens in der Herstellung von Elektronik aus elektronischen Materialien wird ein Vorteil sein, da die Branche über Siliziumchips hinaus auf neue Materialien expandiert.
Das Unternehmen befindet sich derzeit in einem Restrukturierungsprogramm, schließt bis Ende 2026 drei Standorte und reduziert die Belegschaft um 6 %, um jährlich 23 Mio. $ einzusparen. Gleichzeitig wird die Produktion dort ausgebaut, wo Bedarf besteht, mit einer Investition von 2,6 Mrd. $ in die Kapazitätserweiterung in den nächsten vier Jahren. Dies steht im Vergleich zu einem Umsatz von 720 Mio. $ im dritten Quartal 2024 und einer Politik, den Aktionären rund 100 Mio. $ zurückzugeben.
Insgesamt sollte Vishays Fertigungsexpertise in komplexen elektronischen Bauteilen für Leistungs‑ und Halbleiteranwendungen, unter Verwendung exotischer Metalle wie Tantal, beim Ausbau des Umsatzes aus der Entwicklung erneuerbarer Energien, 5G‑Telekommunikation, Elektrofahrzeugen und der Luft‑ und Raumfahrt von Nutzen sein.
Studienreferenz:
1. Li, J., et al. (2024). Nichtflüchtiger elektrochemischer Speicher bei 600 °C, ermöglicht durch Phasenseparation der Zusammensetzung. Device. https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100623
