コンピューティング
高温メモリーストレージ、最新のブレークスルーで実用化に近づく
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超高温エレクトロニクス
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 タングステン, チタン, or ロジウム (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”.
酸素ベースのメモリ
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.
仕組み
The oxygen atoms are moved between two layers in the memory—the semiconductor tantalum oxide and the metal tantalum.
ソース: 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.
ソース: Cell Device
The information states can be stored above 1100 °F for more than 24 hours.
まだ初期段階にすぎない
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.
“So far, we’ve built a device that holds one bit, on par with other high-temperature computer memory demonstrations. With more development and investment, it could in theory hold megabytes or gigabytes of data.”
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:
- 主要な代替品よりも低電圧で動作できます。
- メモリ内コンピューティング向けにより多くのアナログ状態を提供できます。
- 酸素勾配の細かな制御により、単純な二進法ではなく100以上の抵抗状態を持つメモリ内コンピューティングが可能になるでしょう。
- メモリ内コンピューティングが可能となり、従来のシリコンベースのチップを追加せずにメモリだけで簡単な計算を実行できるようになります。
高温AI？
Such analog capacity with complex data encoding instead of the simpler 0 & 1 of binary could help drastically reduce power consumption.
This could be a game changer for using anything close to AI technology in high-temperature environments. Conventional computing would be too power consuming, itself a source of heat that is sometimes difficult to deal with in normal conditions. Doing so in 500-600°C conditions is nearly impossible.
“There’s a lot of interest in using AI to improve monitoring in these extreme settings, but they require beefy processor chips that run on a lot of power, and a lot of these extreme settings also have strict power budgets.
In-memory computing chips could help process some of that data before it reaches the AI chips and reduce the device’s overall power use.
制限事項
One major limitation of this technology is that it 高温でのみworks at high temperatures. New information can only be written on the device above 500°F (250°C).
So, if the memory needs to be used in both high and low temperatures, this could be a serious issue. And while the researchers suggest a heater could solve the problem for devices that must also work at lower temperatures, this is likely not ideal.
応用例
This sort of high-temperature memory and electronic systems would be ideal for measuring data and doing computation in extreme environments.
For example:
- 航空宇宙工学: ジェットエンジンの内部温度が極めて高い環境でも、このメモリ技術はオンボードのデータロギングとリアルタイムモニタリングシステムを、広範な冷却機構を必要とせずに信頼性を保って機能させることができます。
- エネルギーセクター: 地熱エネルギー採取では、高い地下温度にさらされる装置が必要です。この耐熱メモリを導入することで、掘削下のモニタリング機器の耐久性と効率が向上し、資源管理がより効果的になります。
- 産業製造: 金属鍛造やガラス製造などのプロセスは高温で行われます。このメモリ技術を制御システムに統合することで、プロセスのモニタリングと自動化が改善され、ダウンタイムとメンテナンスコストが削減されます。
- 宇宙探査: 金星のように極端な表面温度を持つ惑星では、従来の電子機器は機能しません。この技術の進歩により、過酷な条件下で長期ミッションを遂行できる探査機やローバーの開発が促進され、探査能力が拡大します。
- 原子力エネルギー: コンポーネントは高熱と放射線にさらされます。この堅牢なメモリを活用することで、原子炉モニタリングシステムの耐久性と寿命が向上し、より安全で効率的なエネルギー生産に貢献します。
タンタル電子会社
Vishay Intertechnology
VSH 価格チャート
タンタルベースのエレクトロニクスは、航空宇宙や地熱エネルギーなどの先端技術において高温条件での新たな応用が見出されており、セグメントの現在のリーダーは長期的に利益を得られる可能性があります。
Tantalum is currently mostly used for capacitorsは、非常に薄い誘電層を可能にし、より小型のケースサイズで高い静電容量値を提供します。
Vishayは、自動車、軍事、携帯型消費者機器、医療機器など多くの用途向けに、表面実装型およびスルーホール型タンタルコンデンサを提供しています。
ソース: Vishay
The company also produces power electronics (silicon carbide) and other electronic components: ダイオード、MOSFET（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）、光電子センサー、抵抗器、磁石、その他のタイプのコンデンサも製造しています。
The largest categories are by revenues: 抵抗器、MOSFET、ダイオードです。
This gives Vishay the “世界最大の離散半導体ポートフォリオと受動部品”。
ソース: Vishay
同社の売上の大部分はアジア（39％）とヨーロッパ（35％）からで、製造拠点は北米、アジア、ヨーロッパにあります。
電子材料で作られたエレクトロニクスの製造に関する同社の専門知識は、業界がシリコンチップや新素材を超えて拡大する中で資産となります。
同社は現在、再編プログラムを実施中で、2026年末までに3拠点を閉鎖し、従業員数を6％削減して年間2300万ドルのコスト削減を目指しています。同時に、必要に応じて生産拡大を進めており、今後4年間で26億ドルの設備拡張投資を行います。これは2024年第3四半期の売上720百万ドル、株主還元約1億ドルと比較されます。
全体として、タンタルなどの希少金属を使用した電力・半導体用途の複雑な電子部品におけるVishayの製造専門知識は、再生可能エネルギー、5G通信、電気自動車、航空宇宙の開発からの売上拡大に役立つでしょう。
研究参考文献：
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
