Memoria electrónica para temperaturas extremas: avances y posibles aplicaciones

Memoria electrónica para temperaturas extremas

El avance tecnológico exige que los equipos funcionen en condiciones cada vez más extremas, incluido el calor. Para afrontarlas se emplean cerámicas compuestas y materiales como el tungsteno, titanioo el rodio . Los enlaces ofrecen guías de inversión sobre cada metal.

La presencia de componentes electrónicos complica la resistencia al calor. Una cubierta de titanio puede soportar temperaturas elevadas sin impedir indefinidamente que el calor llegue al interior.

Los circuitos integrados dependen de estructuras muy pequeñas y su funcionamiento cambia con la temperatura. El silicio convencional tiene límites, aunque otros materiales y diseños pueden operar a temperaturas mayores. No todos los circuitos dejan de funcionar a un mismo umbral.

En vehículos espaciales, instalaciones nucleares y sistemas de perforación se utiliza refrigeración y aislamiento para proteger la electrónica.

Por ello resulta relevante una memoria experimental capaz de escribir y conservar información a 600 °C, aproximadamente 1.100 °F. Esa temperatura supera el punto de fusión del plomo, no el del acero.

Investigadores de la Universidad de Michigan y de los Laboratorios Nacionales Sandia publicaron los resultados en Device, bajo el título «Nonvolatile electrochemical memory at 600°C enabled by composition phase separation¹».

Memoria basada en oxígeno

La memoria modifica su estado mediante el movimiento de iones de oxígeno, en lugar de almacenar la información únicamente mediante cargas electrónicas. A temperaturas elevadas, las corrientes de fuga dificultan el funcionamiento de muchos dispositivos convencionales de silicio.

El calor puede alterar la información en memorias convencionales. Los iones de oxígeno tampoco son inmunes a la temperatura; la nueva estructura aprovecha procesos iónicos y fases materiales que permiten conservar estados distinguibles en las condiciones ensayadas.

Cómo funciona

El dispositivo utiliza capas basadas en tantalio y óxido de tantalio, entre las que se redistribuye el oxígeno.

Fuente: Cell Device

Un electrolito sólido permite el transporte iónico y ayuda a controlar otras corrientes. La separación entre fases contribuye a que el estado persista sin alimentación continua hasta que se aplica una señal para modificarlo.

El dispositivo experimental emplea tres electrodos de platino para controlar y leer su estado.

El proceso recuerda al de un sistema electroquímico de almacenamiento, pero aquí se busca conservar información y no maximizar la energía almacenada.

Fuente: Cell Device

Los investigadores demostraron retención durante más de 24 horas a 600 °C en las condiciones del experimento.

Solo un paso inicial

Se trata de una prueba de concepto de un bit, no de una memoria comercial de gran capacidad. Aumentar la capacidad exige desarrollar matrices, circuitos y procesos de fabricación adecuados.

En paráfrasis, Yiyang Li explicó que el dispositivo inicial almacena un bit y que, con más desarrollo e inversión, podría investigarse su ampliación a capacidades mucho mayores.

Yiyang Li – Profesor adjunto de Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Universidad de Michigan

Ya existen otras investigaciones sobre memorias reescribibles de alta temperatura, incluidas aproximaciones ferroeléctricas y dispositivos con nanoseparaciones entre electrodos de platino.

El nuevo enfoque presenta características que justifican seguir investigándolo:

• Funcionamiento con tensiones relativamente bajas frente a algunas alternativas.
• Posibilidad de controlar estados analógicos para procesamiento dentro de la memoria.
  • Un control más preciso de la distribución del oxígeno podría permitir varios estados de resistencia. Una relación entre resistencias superior a 100 no equivale automáticamente a más de 100 estados útiles y distinguibles.
• El cálculo dentro de la memoria podría realizar ciertas operaciones sin trasladar todos los datos a un procesador convencional. Todavía requiere desarrollo e integración.

¿IA de alta temperatura?

El procesamiento analógico y dentro de la memoria puede reducir ciertos movimientos de datos y su consumo energético. La ventaja depende de la tarea y de los circuitos completos.

Estas posibilidades interesan para el análisis de datos en entornos muy calientes. Sin embargo, demostrar un elemento de memoria no significa haber construido un procesador de inteligencia artificial capaz de trabajar a 500–600 °C.

En paráfrasis, Alec Talin señaló el interés por emplear IA para supervisar entornos extremos, donde tanto el calor como los presupuestos de energía limitan los sistemas electrónicos.

El procesamiento cerca de la memoria podría reducir parte de los datos enviados a otros chips y ayudar a disminuir el consumo total.

Alec Talin – Científico de los Laboratorios Nacionales Sandia

Limitaciones

Una limitación es la temperatura necesaria para escribir nueva información: el dispositivo requiere aproximadamente 250 °C o más. Este requisito de escritura debe distinguirse de la retención y lectura a temperaturas menores.

Si el sistema necesita escribir tanto en frío como en caliente, podría requerir un calentador. Eso añadiría consumo y complejidad, por lo que su conveniencia dependería de la aplicación.

Aplicaciones

Los sistemas electrónicos resistentes al calor podrían servir para recoger y procesar datos en entornos extremos. Las siguientes son aplicaciones posibles, no usos comerciales demostrados por este experimento.

Por ejemplo:

• Ingeniería aeroespacial: el registro de datos cerca de zonas calientes de motores podría beneficiarse de memorias resistentes al calor. La adecuación del sistema completo y las necesidades de refrigeración tendrían que verificarse.
• Sector energético: los instrumentos de pozos geotérmicos trabajan a temperaturas elevadas. Esta memoria podría ser una pieza de sistemas de supervisión más resistentes, junto con sensores y circuitos compatibles.
• Manufactura industrial: la forja y la producción de vidrio podrían aprovechar una electrónica más resistente para ciertos controles. Los efectos sobre mantenimiento y productividad no se han establecido con este prototipo.
• Exploración espacial: una memoria tolerante al calor podría contribuir a futuras sondas para Venus. No elimina la necesidad de desarrollar el resto de la electrónica, la energía y la estructura para ese entorno.
• Energía nuclear: la resistencia térmica podría ser útil en supervisión nuclear, pero no demuestra resistencia a la radiación ni aptitud para sistemas de seguridad de reactores.

Fabricantes de componentes que utilizan tantalio

Vishay Intertechnology

El desarrollo de nuevos usos del tantalio puede interesar a fabricantes de componentes. No implica que una empresa concreta vaya a comercializar esta memoria o aumentar sus ventas gracias a ella.

Los condensadores son una aplicación electrónica importante del tantalio, cuyo óxido permite formar una capa dieléctrica delgada y obtener capacitancias elevadas en componentes pequeños.

Vishay ofrece condensadores de tantalio de montaje superficial y de inserción para aplicaciones de automoción, defensa, electrónica de consumo, medicina y otros sectores.

Fuente: Vishay

La empresa también fabrica componentes de potencia, incluidos productos de carburo de silicio, además de diodos, MOSFET, componentes optoelectrónicos, resistencias, inductores y otros condensadores. Los inductores no deben confundirse con imanes.

En la composición de ventas citada, las resistencias, los MOSFET y los diodos eran categorías importantes.

Vishay describe su oferta como una de lasmayores carteras de semiconductores discretos y componentes pasivos del mundo.

Fuente: Vishay

La distribución histórica de ventas citada asigna un 39% a Asia y un 35% a Europa. La compañía tiene instalaciones en América del Norte, Asia y Europa; esas proporciones no son constantes.

Su experiencia con materiales y fabricación de componentes puede ser relevante para nuevas aplicaciones y para materiales distintos del silicio.

En septiembre de 2024, Vishay anunció una reestructuración con el cierre previsto de tres instalaciones para finales de 2026 y la reducción de unos 170 puestos, equivalentes al 6% del personal de ventas, gastos generales y administración, no de toda la plantilla. Preveía ahorros anualizados de al menos 23 millones de dólares. El plan de inversión de 2.600 millones de dólares abarcaba 2023–2028. Los ingresos reales del tercer trimestre de 2024 fueron 735,4 millones de dólares; 720 millones era el punto medio de la previsión para el cuarto trimestre.

La experiencia de Vishay puede ayudarle a atender mercados como energías renovables, telecomunicaciones, vehículos eléctricos y aeroespacial. Las oportunidades tecnológicas no garantizan crecimiento de ingresos ni rentabilidad para el accionista.

Referencia del estudio:

^{1. Li, J., et al. (2024). Memoria electroquímica no volátil a 600°C habilitada por separación de fase de composición. Device. https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100623}