Laskenta
Korkean lämpötilan muistikapasiteetti lähestyy toteutumista uusimman läpimurron myötä
Lisää Securities.io suosikkilähteisiisi Google-palvelussa
Erittäin korkean lämpötilan elektroniikka
Kun ihmiskunta viedään teknologiaansa yhä pidemmälle, se joutuu yhä useammin kohtaamaan äärimmäisiä olosuhteita, kuten lämpöä. Tämä hoidetaan usein kehittyneillä materiaaleilla, kuten komposiittisermikkeillä tai erityisillä harvametalleilla, kuten volframi, titaani, tai rodium (seuraa linkkejä saadaksesi yksityiskohtaisen sijoitusoppaan jokaisesta metallista).
Äärimmäisten olosuhteiden käsittely monimutkaistuu hieman, kun mukana ovat elektroniset komponentit. Rakettien titaanikuori saattaa kestää lämpöä, mutta se ei pitkällä aikavälillä estä lämmön pääsyä sisään.
Useimmat tietokonepiirit on suunniteltu suorittamaan monimutkaisia operaatioita nanometriskaalassa, mikä tekee niistä erittäin herkkiä lämpötilan muutoksille. Vaikka jonkin verran kovettamista voidaan tehdä, tietyn lämpötilarajan ylittyessä mikään perinteinen sähköpiiri ei enää toimi.
Jotta elektroniset ohjausjärjestelmät avaruusaluksissa, ydinvoimaloissa tai porauslaitteissa pysyvät toiminnassa, käytetään kehittyneitä jäähdytysjärjestelmiä suojaamaan elektronisia komponentteja ympäröivältä ympäristöltä.
Siksi äskettäin kehitetty digitaalinen muisti, joka pystyy tallentamaan ja kirjoittamaan tietoa yli 1100 °F (600 °C) lämpötilassa, eli teräksen sulamispisteessä, voi olla mullistava.
Tämä saavutus Michiganin yliopiston ja Sandian kansallisen laboratoriotutkimuksen tutkijoilta julkaistiin tieteellisessä lehdessä Device, otsikolla Ei‑kondensaatiomuistijärjestelmä 600 °C:ssa mahdollistettu koostumuksen vaihe-erottelulla1.
Happipohjainen muisti
Tämä muistimenetelmä toimii siirtämällä negatiivisesti varautuneita happiatomeja elektronien sijaan. Yli 300 °F (150 °C) perinteiset piipohjaiset puolijohteet alkavat johtaa hallitsemattomia virtoja.
Tulos on, että perinteisessä elektroniikassa korkea lämpötila voi pyyhkiä laitteen muistin tiedot. Kuitenkin happi-ionit eivät vaikuta lämpöön.
Kuinka se toimii
Happiatomeja siirretään muistin kahden kerroksen välillä – puolijohde‑tantaanimoksidi ja metalli‑tantaani.
Lähde: Cell Device
Liike mahdollistuu kiinteän elektrolyytin avulla, joka toimii esteenä estäen muiden varauksien siirtymisen kerrosten välillä. Tantaani- ja tantaanimoksidikerrokset eivät sekoitu, kuten öljy ja vesi, joten nämä uudet kerrokset eivät palaa alkuperäiseen tilaansa ennen kuin jännite kytketään pois.
Happi-ionit ohjataan kolmen platina‑elektrodin sarjan avulla.
Tämä on itse asiassa hyvin samanlainen kuin akkujen lataus ja purku, mutta prosessi optimoi tiedon rakenteen säilymisen kemiallisen energian sijaan.
Lähde: Cell Device
Tietotilat voidaan tallentaa yli 1100 °F lämpötilassa yli 24 tunnin ajan.
Vain alkuaskel
Tämä tieteellinen julkaisu oli oikeastaan enemmän konseptin todistus kuin mikään muu. Alkuperäinen laite säilyttää vain yhden bitin tietoa, mutta teoreettista rajaa paljon suuremmalle muistikapasiteetille ei ole.
“Toistaiseksi olemme rakentaneet laitteen, joka pitää yhden bitin, tasavertaisesti muihin korkean lämpötilan tietokonemuistiodotuksiin. Lisää kehitystä ja investointeja tarvittaessa, se voisi teoriassa pitää megatavuja tai gigatavuja dataa.”
Yiyang Li – U-M:n apulaisprofessori materiaalitieteen ja tekniikan alalta
Itse asiassa tämä teknologia on melko samanlainen suorituskyvyltään muihin materiaaleihin, jotka on kehitetty uudelleenkirjoitettavaksi, korkean lämpötilan muistiksi (kuten ferroeelektrinen muisti ja polykristalliset platina‑elektrodin nanokuilut).
Siinä on kuitenkin melko paljon ainutlaatuisia etuja, jotka tekevät sen parantamisesta todennäköisemmän:
- Se voi toimia alemmilla jännitteillä kuin jotkut johtavat vaihtoehdot.
- Se voi tarjota enemmän analogisia tiloja muistissa tapahtuvaan laskentaan.
- Happigradientin tarkempi hallinta voisi mahdollistaa laskennan muistin sisällä, yli 100 resistanssitilan kanssa yksinkertaisen binäärin sijaan.
- Muistissa tapahtuva laskenta voisi olla mahdollista, jolloin yksinkertaiset laskutoimitukset voidaan suorittaa muistilla ilman perinteisen piipohjaisen sirun lisäämistä.
Korkean lämpötilan tekoäly?
Tällainen analoginen kapasiteetti monimutkaisella datakoodauksella yksinkertaisen binäärin 0 & 1 sijaan voisi auttaa vähentämään energian kulutusta merkittävästi.
Tämä voisi olla mullistava tekijä tekoälyteknologian soveltamisessa korkean lämpötilan ympäristöissä. Perinteinen laskenta kuluttaisi liikaa energiaa, mikä itsessään on lämmön lähde, jonka kanssa on joskus vaikea käsitellä normaaleissa olosuhteissa. Tämän toteuttaminen 500‑600 °C olosuhteissa on lähes mahdotonta.
“AI:n käyttöön äärimmäisten olosuhteiden valvonnan parantamiseksi herättää suurta kiinnostusta, mutta se vaatii voimakkaita prosessorisiruja, jotka kuluttavat paljon energiaa, ja monissa näissä äärimmäisissä olosuhteissa on myös tiukat energiasuunnitelmat.
Muistissa tapahtuvat laskentapiirit voisivat auttaa käsittelemään osan siitä datasta ennen kuin se saavuttaa AI-sirut ja vähentää laitteen kokonaisenergiankulutusta.
Rajoitukset
Yksi merkittävä rajoitus tässä teknologiassa on, että se vain toimii korkeissa lämpötiloissa. Uutta tietoa voidaan kirjoittaa laitteelle vain yli 500 °F (250 °C) lämpötilassa.
Jos siis muistia täytyy käyttää sekä korkeissa että matalissa lämpötiloissa, tämä voi olla vakava ongelma. Vaikka tutkijat ehdottavat lämmittimen ratkaisevan ongelman laitteille, jotka täytyy toimia myös alhaisemmissa lämpötiloissa, se ei todennäköisesti ole ihanteellinen ratkaisu.
Sovellukset
Tämäntyyppinen korkean lämpötilan muisti ja elektroniset järjestelmät olisivat ihanteellisia datan mittaamiseen ja laskentaan äärimmäisissä ympäristöissä.
Esimerkiksi:
- Avaruustekniikka: Suurnopeusmoottoreissa, joissa sisäiset lämpötilat voivat olla äärimmäisen korkeat, tämä muistiteknologia voisi mahdollistaa laiteasennuksen datan tallennuksen ja reaaliaikaiset valvontajärjestelmät toimimaan luotettavasti ilman laajoja jäähdytysmekanismeja.
- Energia-ala: Geotermisen energian hyödyntäminen sisältää laitteita, jotka altistuvat korkeille maanalaisille lämpötiloille. Tämä lämmönkestävä muisti voisi parantaa alikaaren valvontalaitteiden kestävyyttä ja tehokkuutta, mikä johtaa tehokkaampaan resurssien hallintaan.
- Teollinen valmistus: Prosessit kuten metallin taonta ja lasin valmistus toimivat kohonnuissa lämpötiloissa. Tämän muistiteknologian integrointi ohjausjärjestelmiin voisi parantaa prosessivalvontaa ja automaatiota, vähentäen seisokkeja ja ylläpitokustannuksia.
- Avaruustutkimus: Planeetoilla, joilla on äärimmäiset pintalämpötilat, kuten Venus, perinteiset elektroniset laitteet epäonnistuvat. Tämä edistysaskel voisi helpottaa tutkijoiden ja roverien kehittämistä, jotka pystyvät suorittamaan pitkiä tehtäviä tällaisissa ankarissa olosuhteissa, laajentaen tutkimusmahdollisuuksiamme.
- Ydinenergia: Komponentit altistuvat voimakkaalle lämmölle ja säteilylle. Tämän kestävän muistin hyödyntäminen voisi parantaa reaktorin valvontajärjestelmien kestävyyttä ja pitkäikäisyyttä, edistäen turvallisempaa ja tehokkaampaa energiantuotantoa.
Tantaani Elektroniikkayritys
Vishay Intertechnology
VSH Hintakaavio
Kun tantaani‑pohjaiset elektroniikkaratkaisut löytävät uusia sovelluksia korkean lämpötilan olosuhteisiin kehittyneessä teknologiassa, kuten avaruustekniikassa ja geotermisessä energiassa, segmentin nykyiset johtajat saattavat hyötyä pitkällä aikavälillä.
Tantaania käytetään tällä hetkellä enimmäkseen kondensaattoreissa, mahdollistamalla erittäin ohut dielektrinen kerros ja tarjoamalla korkean kapasitanssin pienemmissä koteloissa.
Vishay tarjoaa pintamontattuja ja läpivientikuvioita olevaja tantaanikondensaattoreita käytettäväksi auto-, sotilas-, kannettavissa kuluttajalaitteissa, lääketieteellisissä laitteissa ja monissa muissa sovelluksissa.
Lähde: Vishay
Yritys valmistaa myös tehoelektroniikkaa (piiikarbidi) ja muita elektronisia komponentteja: diodit, MOSFET (metalli‑oksidi‑puolijohde‑kenttä‑transistori), optoelektroniikkasensorit, vastukset, magnetit ja muut kondensaattorityypit.
Suurimmat kategoriat tulojen perusteella: vastukset, MOSFETit ja diodit.
This gives Vishay the “maailman suurin portfolio erillisistä puolijohteista ja passiivisista komponenteista”.
Lähde: Vishay
Suurin osa yrityksen myynnistä tulee Aasiasta (39 %) ja Euroopasta (35 %), ja valmistuslaitoksia on Pohjois-Amerikassa, Aasiassa ja Euroopassa.
Yrityksen asiantuntemus elektronisten materiaalien valmistuksessa on etu, kun ala laajenee piisirujen ja uusien materiaalien ulkopuolelle.
Yritys on parhaillaan läpikäymässä uudelleenjärjestelyohjelmaa, sulkemassa 3 laitosta vuoden 2026 loppuun mennessä ja vähentämässä henkilöstöä 6 %, säästääkseen 23 miljoonaa dollaria vuodessa. Samanaikaisesti se laajentaa tuotantoa tarpeen mukaan, investoiden 2,6 miljardia dollaria kapasiteetin laajentamiseen seuraavan neljän vuoden aikana. Tämä tulisi verrata 720 miljoonan dollarin liikevaihtoon vuoden 2024 kolmannella neljänneksellä ja noin 100 miljoonan dollarin osinkopolitiikkaan.
Kaiken kaikkiaan Vishayn valmistusosaaminen monimutkaisissa sähkö- ja puolijohdesovelluksissa, käyttäen eksoottisia metalleja kuten tantaania, tulee olemaan hyödyllistä kasvattamaan sen myyntiä uusiutuvien energioiden, 5G‑telekommunikaation, sähköautojen ja avaruusteknologian kehityksestä.
Tutkimusviite:
1. Li, J., et al. (2024). Ei‑kondensaatiomuistijärjestelmä 600 °C:ssa mahdollistettu koostumuksen vaihe-erottelulla. Device. https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100623
