Le stockage de mémoire à haute température se rapproche de la concrétisation grâce à la dernière percée

Électronique ultra‑haute température

Alors que l’humanité pousse toujours plus loin sa technologie, elle doit faire face à des conditions de plus en plus extrêmes, y compris la chaleur. Cela est souvent géré avec des matériaux avancés tels que les céramiques composites ou des métaux rares spéciaux comme le tungstène, le titane ou le rhodium (suivez les liens pour un guide d’investissement détaillé pour chaque métal).

Faire face à des conditions extrêmes devient un peu plus compliqué lorsque des composants électroniques sont impliqués. Une coque en titane de fusée peut résister à la chaleur mais ne bloquera pas la chaleur à long terme.

La plupart des puces informatiques sont conçues pour exécuter des opérations complexes à l’échelle nanométrique, ce qui les rend très sensibles aux variations de température. Et bien que certains durcissements soient possibles, au‑delà d’un certain seuil de température, aucun circuit électrique classique ne peut continuer à fonctionner.

Pour maintenir les contrôles électroniques dans les vaisseaux spatiaux, les centrales nucléaires ou les systèmes de forage, des systèmes de refroidissement avancés sont utilisés afin de protéger les éléments électroniques de l’environnement ambiant.

C’est pourquoi une forme de mémoire numérique récemment développée, capable de stocker et d’écrire des informations à des températures supérieures à 1100 °F (600 °C), soit la température de fusion de l’acier, pourrait changer la donne.

Cette avancée, réalisée par des chercheurs de l’Université du Michigan et du Sandia National Laboratories, a été publiée dans la revue scientifique Device, sous le titre « Nonvolatile electrochemical memory at 600°C enabled by composition phase separation¹ ».

Mémoire à base d’oxygène

Cette méthode de mémoire fonctionne en déplaçant des atomes d’oxygène chargés négativement plutôt que des électrons. Au‑dessus de 300 °F (150 °C), les semi‑conducteurs conventionnels à base de silicium commencent à conduire des courants incontrôlables.

Le résultat est que, dans l’électronique classique, les hautes températures peuvent effacer les informations de la mémoire du dispositif. Cependant, les ions oxygène ne sont pas affectés par la chaleur.

Comment cela fonctionne

Les atomes d’oxygène sont déplacés entre deux couches de la mémoire — l’oxyde de tantale semi‑conducteur et le tantale métallique.

Source: Cell Device

Le mouvement est permis par un électrolyte solide qui agit comme une barrière en empêchant les autres charges de se déplacer entre les couches. Les couches de tantale et d’oxyde de tantale ne se mélangent pas, à l’instar de l’huile et de l’eau, de sorte que ces nouvelles couches ne reviendront pas à l’état original tant que la tension n’est pas inversée.

Les ions oxygène sont guidés par une série de trois électrodes en platine.

C’est en fait très similaire à la façon dont une batterie se charge et se décharge, sauf que ce processus optimise la rétention de la structure de l’information plutôt que l’énergie chimique.

Source: Cell Device

Les états d’information peuvent être stockés au‑dessus de 1100 °F pendant plus de 24 heures.

Ce n’est qu’une première étape

Cette publication scientifique était avant tout une preuve de concept. Le dispositif initial ne conserve qu’un seul bit d’information, mais il n’existe aucune limite théorique à une capacité de mémoire beaucoup plus grande.

“Jusqu’à présent, nous avons construit un dispositif qui stocke un bit, comparable à d’autres démonstrations de mémoire informatique à haute température. Avec davantage de développement et d’investissement, il pourrait en théorie contenir des mégaoctets ou des gigaoctets de données.”

Yiyang Li – U-M professeur adjoint en science et génie des matériaux

En soi, cette technologie est relativement similaire en performance à d’autres matériaux développés pour la mémoire réinscriptible à haute température (comme la mémoire ferroélectrique et les nanogap d’électrodes en platine polycristallin).

Cependant, elle possède plusieurs avantages uniques, ce qui la rend plus susceptible d’être améliorée :

• Il peut fonctionner à des tensions plus faibles que certaines des alternatives principales.
• Il peut offrir davantage d’états analogiques pour le calcul en mémoire.
  • Un contrôle plus fin du gradient d’oxygène pourrait permettre le calcul à l’intérieur de la mémoire, avec plus de 100 états de résistance plutôt qu’un simple binaire.
• Le calcul en mémoire pourrait être possible, permettant d’effectuer des calculs simples directement par la mémoire sans ajouter de puce classique à base de silicium.

IA à haute température ?

Une telle capacité analogique avec un encodage de données complexe au lieu du simple 0 & 1 du binaire pourrait aider à réduire drastiquement la consommation d’énergie.

Cela pourrait changer la donne pour l’utilisation de toute technologie proche de l’IA dans des environnements à haute température. L’informatique conventionnelle consommerait trop d’énergie, étant elle‑même une source de chaleur parfois difficile à gérer dans des conditions normales. Le faire à des températures de 500‑600 °C est presque impossible.

“Il y a beaucoup d’intérêt à utiliser l’IA pour améliorer la surveillance dans ces environnements extrêmes, mais ils nécessitent des puces processeurs puissantes qui consomment beaucoup d’énergie, et beaucoup de ces environnements extrêmes ont également des budgets énergétiques stricts.

Les puces de calcul en mémoire pourraient aider à traiter une partie de ces données avant qu’elles n’atteignent les puces IA et réduire la consommation globale d’énergie du dispositif.”

Alec Talin – scientifique principal au département Chimie, Combustion et Science des Matériaux du Sandia National Laboratories

Limitations

Une limitation majeure de cette technologie est qu’elle ne fonctionne qu’à des températures élevées. De nouvelles informations ne peuvent être écrites sur le dispositif qu’au‑dessus de 500 °F (250 °C).

Ainsi, si la mémoire doit être utilisée à la fois à des températures élevées et basses, cela pourrait poser un problème sérieux. Et bien que les chercheurs suggèrent qu’un chauffage pourrait résoudre le problème pour les dispositifs qui doivent également fonctionner à des températures plus basses, cela n’est probablement pas idéal.

Applications

Ce type de mémoire à haute température et de systèmes électroniques serait idéal pour mesurer des données et effectuer des calculs dans des environnements extrêmes.

Par exemple :

• Ingénierie aérospatiale : Dans les moteurs à réaction, où les températures internes peuvent être extrêmement élevées, cette technologie de mémoire pourrait permettre l’enregistrement de données à bord et des systèmes de surveillance en temps réel fonctionnant de manière fiable sans besoin de mécanismes de refroidissement étendus.
• Secteur énergétique : L’extraction d’énergie géothermique implique des équipements exposés à de hautes températures souterraines. L’intégration de cette mémoire résistante à la chaleur pourrait améliorer la durabilité et l’efficacité des instruments de surveillance en profondeur, conduisant à une gestion des ressources plus efficace.
• Fabrication industrielle : Des processus tels que le forgeage des métaux et la production de verre fonctionnent à des températures élevées. L’intégration de cette technologie de mémoire dans les systèmes de contrôle pourrait améliorer la surveillance des processus et l’automatisation, réduisant les temps d’arrêt et les coûts de maintenance.
• Exploration spatiale : Sur des planètes aux températures de surface extrêmes, comme Vénus, l’électronique traditionnelle échoue. Cette avancée pourrait faciliter le développement de sondes et de rovers capables de mener des missions prolongées dans de telles conditions difficiles, élargissant nos capacités d’exploration.
• Énergie nucléaire : Les composants sont soumis à une chaleur et à des radiations intenses. L’utilisation de cette mémoire robuste pourrait améliorer la résilience et la longévité des systèmes de surveillance des réacteurs, contribuant à une production d’énergie plus sûre et plus efficace.

Entreprise électronique de tantale

Vishay Intertechnology

Alors que les électroniques à base de tantale trouvent de nouvelles applications pour des conditions de haute température dans des technologies avancées comme l’aérospatiale et l’énergie géothermique, les leaders actuels du segment pourraient en bénéficier à long terme.

Le tantale est actuellement principalement utilisé pour les condensateurs, permettant une couche diélectrique très fine et offrant des valeurs de capacité élevées dans des formats plus petits.

Vishay propose des condensateurs en tantale en montage en surface et traversant les trous pour une utilisation dans l’automobile, le militaire, les appareils portables grand public, les dispositifs médicaux et de nombreuses autres applications.

Source: Vishay

L’entreprise fabrique également des composants électroniques de puissance (carbure de silicium) et d’autres composants électroniques : diodes, MOSFET (transistor à effet de champ métal‑oxyde‑semi‑conducteur), capteurs optoélectroniques, résistances, aimants et autres types de condensateurs.

Les plus grandes catégories en termes de chiffre d’affaires sont : les résistances, les MOSFET et les diodes.

Cela donne à Vishay le « plus grand portefeuille mondial de semi‑conducteurs discrets et de composants passifs ».

Source: Vishay

La plupart des ventes de l’entreprise proviennent d’Asie (39 %) et d’Europe (35 %), avec des sites de production en Amérique du Nord, en Asie et en Europe.

L’expertise de l’entreprise dans la production d’électroniques à base de matériaux électroniques sera un atout alors que l’industrie s’étend au‑delà des puces en silicium et des nouveaux matériaux.

L’entreprise est actuellement en train de mener un programme de restructuration, fermant 3 sites d’ici la fin 2026 et réduisant les effectifs de 6 %, afin d’économiser 23 M$ annuellement. En même temps, elle augmente la production là où c’est nécessaire, avec un investissement de 2,6 M$ milliards dans l’expansion de capacité au cours des 4 prochaines années. Cela doit être comparé à un chiffre d’affaires de 720 M$ au troisième trimestre 2024, et à une politique de redistribution aux actionnaires d’environ 100 M$.

Dans l’ensemble, l’expertise de Vishay en fabrication de composants électroniques complexes dans les applications de puissance et de semi‑conducteurs, utilisant des métaux exotiques comme le tantale, devrait être utile pour augmenter ses ventes grâce au développement des énergies renouvelables, des télécommunications 5G, des véhicules électriques et de l’aérospatiale.

Référence de l’étude :

^{1. Li, J., et al. (2024). Nonvolatile electrochemical memory at 600°C enabled by composition phase separation. Device. https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100623}