La Memoria di Archiviazione ad Alta Temperatura Si Avvicina alla Realizzazione con l’Ultimo Progresso

Elettronica Ultra‑Alta Temperatura

As mankind pushes its technology ever further, it keeps dealing with more and more extreme conditions, including heat. This is often handled with advanced materials like composite ceramics or special rare metals like tungsten, titanium, or rhodium (follow the links for a detailed investing guide for each metal).

Dealing with extreme conditions gets a little more complicated when electronic components get involved. A rocket titanium shell might withstand heat but will not block the heat from entering in the long run.

Most computer chips are designed to perform complex operations at the nanometer scale, making them very sensitive to changes in temperature. And while some hardening can be done, past a certain temperature threshold, no classical electric circuit can keep functioning.

To keep electronic controls in spaceships, nuclear power plants, or drilling systems, advanced cooling systems are used to shield the electronic elements from the surrounding environment.

This is why a newly developed form of digital memory that can store and write information at temperatures over 1100°F (600°C), or the melting temperature of steel, could be a game changer.

This achievement by researchers of the University of Michigan and Sandia National Laboratories’ was published in the scientific journal device, under the title “Nonvolatile electrochemical memory at 600°C enabled by composition phase separation¹”.

Memoria a Base di Ossigeno

This memory method works by moving negatively charged oxygen atoms rather than electrons. Above 300°F (150°C), conventional silicon-based semiconductors start conducting uncontrollable levels of current.

The result is that in classic electronics, high temperatures can wipe out information in the device’s memory. However, oxygen ions are not affected by the heat.

Come Funziona

The oxygen atoms are moved between two layers in the memory—the semiconductor tantalum oxide and the metal tantalum.

Fonte: Cell Device

The movement is allowed by a solid electrolyte that acts as a barrier by keeping other charges from moving between the layers. The tantalum and tantalum oxide layers do not mix, similar to oil and water, so these new layers will not revert back to the original state until the voltage is switched.

The oxygen ions are guided by a series of three platinum electrodes.

This is actually very similar to how a battery charges and discharges, except that this process optimizes the structure retention of information instead of chemical energy.

Fonte: Cell Device

Gli stati informativi possono essere conservati sopra 1100 °F per più di 24 ore.

Solo Un Primo Passo

This scientific publication was really a proof of concept more than anything else. The initial device only retains one bit of information, but there is no theoretical limit to a much larger memory capacity.

“Finora, abbiamo costruito un dispositivo che conserva un bit, pari ad altre dimostrazioni di memoria per computer ad alta temperatura. Con ulteriore sviluppo e investimento, potrebbe teoricamente contenere megabyte o gigabyte di dati.”

Yiyang Li – Assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali dell’Università del Michigan

In itself, this technology is relatively similar in its performance to other materials that have been developed for re-writable, high-temperature memory (like ferroelectric memory and polycrystalline platinum electrode nanogaps).

It has, however quite a few unique advantage,s making it more likely to be worth improving:

• Può funzionare a tensioni più basse rispetto ad alcune delle alternative leader.
• Può fornire più stati analogici per il calcolo in‑memoria.
  • Un controllo più fine del gradiente di ossigeno potrebbe consentire il calcolo all’interno della memoria, con più di 100 stati di resistenza invece di un semplice binario.
• Il calcolo in‑memoria potrebbe essere possibile, consentendo l’esecuzione di calcoli semplici direttamente nella memoria senza aggiungere un chip classico basato su silicio.

IA ad Alta Temperatura?

Tale capacità analogica con codifica dati complessa invece del più semplice 0 e 1 binario potrebbe contribuire a ridurre drasticamente il consumo energetico.

Questo potrebbe rappresentare una svolta per l’uso di tecnologie vicine all’IA in ambienti ad alta temperatura. L’informatica convenzionale sarebbe troppo dispendiosa in termini di energia, diventando a sua volta una fonte di calore a volte difficile da gestire in condizioni normali. Operare a temperature di 500‑600 °C è quasi impossibile.

“C’è molto interesse nell’utilizzare l’IA per migliorare il monitoraggio in questi ambienti estremi, ma richiedono chip processori potenti che consumano molta energia, e molti di questi ambienti estremi hanno anche budget energetici rigidi.

I chip di calcolo in‑memoria potrebbero aiutare a elaborare parte di quei dati prima che raggiungano i chip IA e ridurre il consumo energetico complessivo del dispositivo.

Alec Talin – Senior scientist in the Chemistry, Combustion, and Materials Science Department at Sandia National Laboratories

Limitazioni

Una limitazione importante di questa tecnologia è che funziona solo ad alte temperature. Le nuove informazioni possono essere scritte sul dispositivo solo sopra i 500 °F (250 °C).

Quindi, se la memoria deve essere utilizzata sia a temperature alte che basse, ciò potrebbe rappresentare un problema serio. E sebbene i ricercatori suggeriscano che un riscaldatore potrebbe risolvere il problema per i dispositivi che devono anche funzionare a temperature più basse, ciò probabilmente non è l’ideale.

Applicazioni

Questo tipo di memoria ad alta temperatura e sistemi elettronici sarebbe ideale per la misurazione dei dati e l’esecuzione di calcoli in ambienti estremi.

Ad esempio:

• Ingegneria Aerospaziale: nei motori a reazione, dove le temperature interne possono essere estremamente elevate, questa tecnologia di memoria potrebbe consentire la registrazione dei dati a bordo e sistemi di monitoraggio in tempo reale di funzionare in modo affidabile senza la necessità di meccanismi di raffreddamento estesi.
• Settore Energetico: l’estrazione di energia geotermica comporta apparecchiature esposte a elevate temperature sotterranee. L’implementazione di questa memoria resistente al calore potrebbe migliorare la durabilità e l’efficienza degli strumenti di monitoraggio in profondità, portando a una gestione delle risorse più efficace.
• Produzione Industriale: processi come la forgiatura dei metalli e la produzione di vetro operano a temperature elevate. L’integrazione di questa tecnologia di memoria nei sistemi di controllo potrebbe migliorare il monitoraggio dei processi e l’automazione, riducendo i tempi di inattività e i costi di manutenzione.
• Esplorazione Spaziale: su pianeti con temperature superficiali estreme, come Venere, l’elettronica tradizionale fallisce. Questo progresso potrebbe facilitare lo sviluppo di sonde e rover capaci di condurre missioni prolungate in tali condizioni dure, ampliando le nostre capacità di esplorazione.
• Energia Nucleare: i componenti sono soggetti a intenso calore e radiazioni. L’utilizzo di questa memoria robusta potrebbe migliorare la resilienza e la longevità dei sistemi di monitoraggio dei reattori, contribuendo a una produzione di energia più sicura ed efficiente.

Azienda Elettronica al Tantalio

Vishay Intertechnology

Poiché le elettroniche basate su tantalio stanno trovando nuove applicazioni per condizioni ad alta temperatura in tecnologie avanzate come l’aerospazio e l’energia geotermica, i leader attuali del segmento potrebbero trarne beneficio a lungo termine.

Tantalum is currently mostly used for capacitors, allowing for a very thin dielectric layer and providing high capacitance values in smaller case sizes.

Vishay offers surface mount and through-hole tantalum capacitors for use in automotive, military, portable consumer devices, medical devices, and many other applications.

Fonte: Vishay

The company also produces power electronics (silicon carbide) and other electronic components: diodes, MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor), optoelectronics sensors, resistors, magnets, and other types of capacitors.

The largest categories are by revenues: resistors, MOSFETs, and diodes.

This gives Vishay the “world’s largest portfolio of discrete semiconductors and passive components”.

Fonte: Vishay

La maggior parte delle vendite dell’azienda proviene dall’Asia (39%) e dall’Europa (35%), con impianti di produzione in Nord America, Asia ed Europa.

L’esperienza dell’azienda nella produzione di elettronica realizzata con materiali elettronici sarà un vantaggio man mano che l’industria si espande oltre i chip al silicio e i nuovi materiali.

L’azienda sta attualmente attraversando un programma di ristrutturazione, chiudendo 3 impianti entro la fine del 2026 e riducendo il personale del 6%, per risparmiare 23 milioni di dollari all’anno. Allo stesso tempo, sta ampliando la produzione dove necessario, con un investimento di 2,6 miliardi di dollari nell’espansione della capacità nei prossimi 4 anni. Questo dovrebbe essere confrontato con un fatturato di 720 milioni di dollari nel Q3 2024, e una politica di restituzione agli azionisti di circa 100 milioni di dollari.

Nel complesso, l’esperienza manifatturiera di Vishay in componenti elettronici complessi per applicazioni di potenza e semiconduttori, utilizzando metalli esotici come il tantalio, dovrebbe rivelarsi utile per far crescere le sue vendite dallo sviluppo di energie rinnovabili, telecomunicazioni 5G, veicoli elettrici e aerospazio.

Riferimento allo Studio:

^{1. Li, J., et al. (2024). Memoria elettrochimica non volatile a 600°C abilitata dalla separazione di fase di composizione. Device. https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100623}