Penyimpanan Memori Suhu Tinggi Mendekati Realisasi dengan Terobosan Terbaru

Elektronik Suhu Sangat Tinggi

Sebagai umat manusia terus mendorong teknologi lebih jauh, kita semakin sering berhadapan dengan kondisi ekstrem, termasuk panas. Hal ini biasanya diatasi dengan material canggih seperti keramik komposit atau logam langka khusus seperti tungsten, titanium, atau rhodium (ikuti tautan untuk panduan investasi detail masing‑masing logam).

Menangani kondisi ekstrem menjadi sedikit lebih rumit ketika komponen elektronik terlibat. Cangkang roket berbahan titanium mungkin tahan panas tetapi tidak akan menghalangi panas masuk dalam jangka panjang.

Sebagian besar chip komputer dirancang untuk melakukan operasi kompleks pada skala nanometer, sehingga sangat sensitif terhadap perubahan suhu. Dan meskipun beberapa pengerasan dapat dilakukan, setelah melewati ambang suhu tertentu, tidak ada rangkaian listrik klasik yang dapat tetap berfungsi.

Untuk menjaga kontrol elektronik di pesawat luar angkasa, pembangkit listrik tenaga nuklir, atau sistem pengeboran, sistem pendinginan canggih digunakan untuk melindungi elemen elektronik dari lingkungan sekitarnya.

Inilah mengapa bentuk memori digital yang baru dikembangkan yang dapat menyimpan dan menulis informasi pada suhu di atas 1100°F (600°C), atau suhu leleh baja, dapat menjadi pengubah permainan.

Pencapaian ini oleh peneliti Universitas Michigan dan Laboratorium Nasional Sandia dipublikasikan dalam jurnal ilmiah device, dengan judul “Nonvolatile electrochemical memory at 600°C enabled by composition phase separation¹”.

Memori Berbasis Oksigen

Metode memori ini bekerja dengan memindahkan atom oksigen bermuatan negatif alih‑alih elektron. Di atas 300°F (150°C), semikonduktor berbasis silikon konvensional mulai menghantarkan arus yang tidak dapat dikendalikan.

Hasilnya, dalam elektronik klasik, suhu tinggi dapat menghapus informasi dalam memori perangkat. Namun, ion oksigen tidak terpengaruh oleh panas.

Cara Kerjanya

Atom oksigen dipindahkan antara dua lapisan dalam memori—semikonduktor tantalum oksida dan logam tantalum.

Sumber: Cell Device

Pergerakan ini dimungkinkan oleh elektrolit padat yang berfungsi sebagai penghalang dengan menjaga muatan lain tidak bergerak antar lapisan. Lapisan tantalum dan tantalum oksida tidak bercampur, mirip seperti minyak dan air, sehingga lapisan baru ini tidak akan kembali ke keadaan semula sampai tegangan diubah.

Ion oksigen dipandu oleh serangkaian tiga elektroda platinum.

Hal ini sebenarnya sangat mirip dengan cara baterai mengisi dan mengosongkan muatan, kecuali proses ini mengoptimalkan retensi struktur informasi alih‑alih energi kimia.

Sumber: Cell Device

Keadaan informasi dapat disimpan di atas 1100 °F selama lebih dari 24 jam.

Hanya Langkah Awal

Publikasi ilmiah ini sebenarnya lebih merupakan bukti konsep daripada apa pun. Perangkat awal hanya menyimpan satu bit informasi, tetapi tidak ada batas teoretis untuk kapasitas memori yang jauh lebih besar.

“Sejauh ini, kami telah membuat perangkat yang menyimpan satu bit, sebanding dengan demonstrasi memori komputer suhu tinggi lainnya. Dengan lebih banyak pengembangan dan investasi, secara teori perangkat ini dapat menyimpan megabyte atau gigabyte data.”

Yiyang Li – asisten profesor ilmu material dan teknik di U-M

Secara keseluruhan, teknologi ini relatif serupa dalam kinerjanya dengan material lain yang telah dikembangkan untuk memori dapat ditulis ulang pada suhu tinggi (seperti memori ferroelectric dan celah nano elektroda platinum polikristalin).

Namun, teknologi ini memiliki cukup banyak keunggulan unik, menjadikannya lebih layak untuk dikembangkan:

• Ia dapat beroperasi pada tegangan lebih rendah dibandingkan beberapa alternatif terdepan.
• Ia dapat menyediakan lebih banyak keadaan analog untuk komputasi dalam memori.
  • Kontrol yang lebih halus terhadap gradien oksigen dapat memungkinkan komputasi di dalam memori, dengan lebih dari 100 keadaan resistansi daripada sekadar biner.
• Komputasi dalam memori dapat menjadi mungkin, memungkinkan perhitungan sederhana dilakukan oleh memori tanpa menambahkan chip silikon klasik.

AI Suhu Tinggi?

Kapasitas analog dengan enkoding data kompleks alih‑alih 0 & 1 biner dapat secara drastis mengurangi konsumsi daya.

Hal ini dapat menjadi pengubah permainan untuk penggunaan teknologi AI dalam lingkungan suhu tinggi. Komputasi konvensional akan terlalu boros energi, yang pada dirinya sendiri menjadi sumber panas dan kadang sulit diatasi dalam kondisi normal. Melakukannya pada kondisi 500‑600°C hampir tidak mungkin.

“Ada banyak minat dalam menggunakan AI untuk meningkatkan pemantauan di lingkungan ekstrem ini, tetapi mereka memerlukan chip prosesor besar yang mengonsumsi banyak daya, dan banyak dari lingkungan ekstrem tersebut juga memiliki batas daya yang ketat.

Chip komputasi dalam memori dapat membantu memproses sebagian data sebelum mencapai chip AI dan mengurangi penggunaan daya keseluruhan perangkat.”

Alec Talin – ilmuwan senior di Departemen Kimia, Pembakaran, dan Ilmu Material di Laboratorium Nasional Sandia

Keterbatasan

Salah satu keterbatasan utama teknologi ini adalah bahwa ia hanya berfungsi pada suhu tinggi. Informasi baru hanya dapat ditulis pada perangkat di atas 500°F (250°C).

Jadi, jika memori perlu digunakan pada suhu tinggi dan rendah, hal ini dapat menjadi masalah serius. Dan meskipun peneliti menyarankan pemanas dapat menyelesaikan masalah untuk perangkat yang juga harus beroperasi pada suhu lebih rendah, solusi tersebut kemungkinan tidak ideal.

Aplikasi

Memori suhu tinggi dan sistem elektronik semacam ini akan ideal untuk mengukur data dan melakukan komputasi di lingkungan ekstrem.

Sebagai contoh:

• Aerospace Engineering: Pada mesin jet, di mana suhu internal dapat sangat tinggi, teknologi memori ini dapat memungkinkan pencatatan data onboard dan sistem pemantauan real‑time berfungsi andal tanpa memerlukan mekanisme pendinginan ekstensif.
• Energy Sector: Ekstraksi energi panas bumi melibatkan peralatan yang terpapar suhu bawah tanah tinggi. Penerapan memori tahan panas ini dapat meningkatkan daya tahan dan efisiensi instrumen pemantauan dalam sumur, menghasilkan manajemen sumber daya yang lebih efektif.
• Industrial Manufacturing: Proses seperti penempaan logam dan produksi kaca beroperasi pada suhu tinggi. Integrasi teknologi memori ini ke dalam sistem kontrol dapat meningkatkan pemantauan proses dan otomatisasi, mengurangi waktu henti serta biaya pemeliharaan.
• Space Exploration: Di planet dengan suhu permukaan ekstrem, seperti Venus, elektronik tradisional gagal. Kemajuan ini dapat memfasilitasi pengembangan probe dan rover yang mampu melakukan misi panjang dalam kondisi keras tersebut, memperluas kemampuan eksplorasi kita.
• Nuclear Energy: Komponen berada di bawah panas dan radiasi intens. Memanfaatkan memori yang kuat ini dapat meningkatkan ketahanan dan umur panjang sistem pemantauan reaktor, berkontribusi pada produksi energi yang lebih aman dan efisien.

Perusahaan Elektronik Tantalum

Vishay Intertechnology

Seiring elektronik berbasis tantalum menemukan aplikasi baru untuk kondisi suhu tinggi dalam teknologi maju seperti aerospace dan energi panas bumi, pemimpin saat ini dalam segmen tersebut mungkin akan mendapatkan manfaat jangka panjang.

Tantalum saat ini sebagian besar digunakan untuk kapasitor, memungkinkan lapisan dielektrik yang sangat tipis dan memberikan nilai kapasitansi tinggi dalam ukuran kasus yang lebih kecil.

Vishay menawarkan kapasitor tantalum tipe surface mount dan through‑hole untuk digunakan dalam otomotif, militer, perangkat konsumen portabel, perangkat medis, dan banyak aplikasi lainnya.

Sumber: Vishay

Perusahaan ini juga memproduksi elektronik daya (silicon carbide) dan komponen elektronik lainnya: dioda, MOSFET (metal‑oxide‑semiconductor field‑effect transistor), sensor optoelektronik, resistor, magnet, dan jenis kapasitor lainnya.

Kategori terbesar berdasarkan pendapatan: resistor, MOSFET, dan dioda.

Hal ini memberi Vishay “portofolio terbesar di dunia untuk semikonduktor diskrit dan komponen pasif”.

Sumber: Vishay

Sebagian besar penjualan perusahaan berasal dari Asia (39%) dan Eropa (35%), dengan fasilitas manufaktur di Amerika Utara, Asia, dan Eropa.

Keahlian perusahaan dalam memproduksi elektronik berbahan material elektronik akan menjadi aset seiring industri berkembang melampaui chip silikon dan material baru.

Perusahaan saat ini sedang menjalani program restrukturisasi, menutup 3 fasilitas pada akhir 2026 dan mengurangi jumlah karyawan sebesar 6%, untuk menghemat $23 Juta per tahun. Pada saat yang sama, mereka memperluas produksi sesuai kebutuhan, dengan investasi $2,6 Miliar untuk ekspansi kapasitas selama 4 tahun ke depan. Ini dapat dibandingkan dengan pendapatan $720 Juta pada Q3 2024, dan kebijakan pengembalian kepada pemegang saham sekitar $100 Juta.

Secara keseluruhan, keahlian manufaktur Vishay dalam komponen elektronik kompleks pada aplikasi daya dan semikonduktor, menggunakan logam eksotis seperti tantalum, seharusnya sangat berguna untuk meningkatkan penjualan mereka dari pengembangan energi terbarukan, telekomunikasi 5G, kendaraan listrik, dan aerospace.

Referensi Studi:

^{1. Li, J., et al. (2024). Memori elektrokimia nonvolatil pada 600°C yang diaktifkan oleh pemisahan fase komposisi. Device. https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100623}