Memorie ad alta temperatura: un nuovo progresso le avvicina alla realizzazione

Elettronica per temperature estreme

Man mano che la tecnologia avanza, deve affrontare condizioni sempre più estreme, compreso il calore. Spesso si ricorre a materiali avanzati, come ceramiche composite o metalli speciali quali tungsteno, titanio o rodio (i collegamenti rimandano a guide dettagliate agli investimenti in ciascun metallo).

La situazione diventa più complessa quando entrano in gioco i componenti elettronici. L’involucro in titanio di un razzo può resistere al calore, ma non impedisce indefinitamente che questo penetri all’interno.

La maggior parte dei chip esegue operazioni complesse su scala nanometrica ed è molto sensibile alla temperatura. Alcune protezioni sono possibili, ma oltre determinate soglie i circuiti convenzionali non riescono più a funzionare correttamente.

Per mantenere operativi i controlli elettronici di veicoli spaziali, centrali nucleari o sistemi di perforazione, si utilizzano sistemi di raffreddamento avanzati che li proteggono dall’ambiente circostante.

Ecco perché una nuova memoria digitale capace di conservare e riscrivere informazioni a 600 °C, oltre 1.100 °F e al di sopra della temperatura di fusione del piombo, potrebbe rappresentare una svolta.

Il risultato, ottenuto da ricercatori dell’Università del Michigan e dei Sandia National Laboratories, è stato pubblicato sulla rivista Device con il titolo « Memoria elettrochimica non volatile a 600 °C resa possibile dalla separazione di fase composizionale¹ ».

Memoria basata sull’ossigeno

Questa memoria sfrutta il movimento di ioni di ossigeno carichi negativamente anziché degli elettroni. Oltre circa 150 °C, pari a 300 °F, i semiconduttori convenzionali al silicio possono condurre correnti non controllabili.

Nell’elettronica tradizionale, il calore può quindi cancellare le informazioni. Il nuovo dispositivo conserva invece il proprio stato anche alle alte temperature grazie al suo meccanismo elettrochimico.

Come Funziona

Gli ioni di ossigeno si spostano tra due strati della memoria: ossido di tantalio e tantalio metallico.

Fonte: Cell Device

Il movimento avviene attraverso un elettrolita solido che impedisce il passaggio di altre cariche. Gli strati di tantalio e ossido di tantalio restano separati, in modo analogo all’olio e all’acqua: la configurazione non torna allo stato iniziale finché non viene invertita la tensione.

Il movimento degli ioni di ossigeno viene controllato da tre elettrodi di platino.

Il processo ricorda la carica e la scarica di una batteria, ma invece di immagazzinare energia chimica viene utilizzato per conservare informazioni.

Fonte: Cell Device

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

Soltanto un primo passo

Il lavoro è soprattutto una dimostrazione di fattibilità. Il dispositivo iniziale conserva un solo bit, ma in teoria la capacità potrebbe essere molto più grande.

“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 – professore assistente di scienza e ingegneria dei materiali all’Università del Michigan

Le prestazioni termiche sono paragonabili a quelle di altre memorie riscrivibili sviluppate per le alte temperature, come le memorie ferroelettriche e quelle basate su nanointerstizi tra elettrodi di platino.

Il dispositivo presenta però alcuni vantaggi che giustificano ulteriori sviluppi:

• 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 preciso del gradiente di ossigeno potrebbe consentire il calcolo direttamente nella memoria, sfruttando oltre 100 stati di resistenza invece dei soli due stati binari.
• 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 per il calcolo in memoria potrebbero elaborare parte dei dati prima del loro invio ai processori IA, riducendo il consumo energetico complessivo del dispositivo.»

Alec Talin — ricercatore senior nel dipartimento di chimica, combustione e scienza dei materiali dei 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.

Un’azienda dell’elettronica al tantalio

Vishay Intertechnology

L’elettronica basata sul tantalio trova nuove possibili applicazioni ad alta temperatura, per esempio nell’aerospazio e nell’energia geotermica. I produttori già attivi in questo segmento potrebbero beneficiarne nel lungo periodo.

Il tantalio viene attualmente utilizzato soprattutto nei condensatori, perché permette di realizzare uno strato dielettrico molto sottile e ottenere capacità elevate in contenitori piccoli.

Vishay offre condensatori al tantalio a montaggio superficiale e a foro passante per applicazioni automobilistiche, militari, mediche, dispositivi portatili e molti altri impieghi.

Fonte: Vishay

L’azienda produce anche componenti di elettronica di potenza, compresi quelli al carburo di silicio, oltre a diodi, MOSFET (transistor a effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore), sensori optoelettronici, resistori, componenti magnetici e altri tipi di condensatori.

Le principali categorie per ricavi sono resistori, MOSFET e diodi.

Vishay descrive la propria offerta come « il più ampio portafoglio al mondo di semiconduttori discreti e componenti passivi ».

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 nella produzione di componenti realizzati con materiali diversi potrebbe rivelarsi utile man mano che il settore si espande oltre i chip al silicio e adotta nuove soluzioni.

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 735,4 milioni di dollari nel terzo trimestre 2024; 720 milioni era invece il valore centrale della previsione per il quarto trimestre, e una politica di restituzione agli azionisti di circa 100 milioni di dollari.

Nel complesso, l’esperienza di Vishay nei componenti elettronici complessi, nei semiconduttori e nell’impiego di metalli come il tantalio potrebbe favorire le vendite legate a 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}