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
技術の進歩に伴い、機器は高温を含む過酷な環境での動作を求められています。こうした条件に対応するため、複合セラミックスやタングステン、チタン、ロジウムなどの特殊な金属が使われます。それぞれのリンクから、各金属に関する投資ガイドを参照できます。
電子部品が関わると、過酷な環境への対応はさらに難しくなります。ロケットのチタン製外殻が熱に耐えても、長時間にわたって内部への熱の伝わりを完全に防げるわけではありません。
コンピューターチップの微細な構造や動作は温度変化の影響を受けます。一般的なシリコン電子回路には動作温度の限界がありますが、特殊な半導体はより高い温度に対応できます。すべての電気回路が同じ温度で動作不能になるわけではありません。
宇宙船、原子力発電所、掘削システムなどでは、電子制御部品を周囲の熱から保護するために冷却や断熱が利用されています。
そのため、約1,100°F、すなわち600°Cで情報の書き込みと保持が可能な新しいデジタルメモリは重要な進歩です。この温度は鉛の融点や金星の表面温度を上回りますが、鋼の融点に達する温度ではありません。
ミシガン大学とサンディア国立研究所の研究者による成果は、科学誌Deviceに「組成の相分離によって実現した600°Cで動作する不揮発性電気化学メモリ1」という論文として発表されました。
酸素ベースのメモリ
このメモリは、酸素イオンの移動によって情報を表す状態を変化させます。一般的なシリコンベースのメモリでは、約300°F（150°C）を超える温度で漏れ電流の増加が問題になります。
従来のメモリでは、こうした熱の影響により情報が失われることがあります。新しい方式では、酸素に富む領域と金属に富む領域の相分離が高温でも安定した状態の保持に役立ちます。酸素イオンが熱の影響を一切受けないという意味ではありません。
仕組み
酸素イオンの移動によって酸化タンタル内の酸素濃度が変化し、タンタルに富む領域と酸素に富む領域が形成されます。
ソース: Cell Device
固体電解質は酸素イオンを移動させる一方、電子の直接的な移動を抑えます。タンタルに富む領域と酸素に富む領域が分離した状態を保つことが、情報の安定性につながります。電圧を加えることで状態を再び変化させられます。
3つの白金電極を使って酸素イオンの移動を制御します。
この仕組みは電池の充放電に似ていますが、目的は化学エネルギーではなく情報を保持することです。
ソース: Cell Device
実験では、約1,100°F（600°C）の高温で情報の状態を24時間以上保持できました。
まだ初期段階にすぎない
今回の研究は概念実証の段階です。試作デバイスが保持する情報は1ビットであり、大容量化には追加の開発と検証が必要です。
「これまでに作ったデバイスは1ビットを保持し、他の高温コンピューターメモリの実証例と同程度です。開発と投資が進めば、理論上はメガバイトやギガバイトのデータを保持できる可能性があります」
この技術の性能は、強誘電体メモリや多結晶白金電極のナノギャップなど、これまで開発された他の書き換え可能な高温メモリと共通する面があります。
一方で、今後の改良を検討するうえで、次のような利点があります。
- 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。
- 酸素濃度を調節することで複数の抵抗状態を利用できます。ただし、論文にある100を超えるオン・オフ比は、100以上の独立したアナログ状態を実証したことと同じではありません。
- メモリ内コンピューティングに応用すれば、一部の計算をメモリ内で行い、別の処理チップへのデータ転送や電力消費を減らせる可能性があります。今回の試作機だけで汎用計算やAI処理が完成したわけではありません。
高温AI？
二進法の0と1だけでなく複数のアナログ状態を利用する方式は、データ処理の消費電力を抑える可能性があります。
高温環境でAIによる監視を行う場合、処理チップ自体の消費電力と発熱も課題になります。500～600°Cの環境では特に難しく、新しいメモリはその一部を軽減するための研究です。高温で動作する完全なAIコンピューターが実現したという意味ではありません。
「こうした極限環境の監視をAIで改善することには大きな関心があります。しかし、AIには多くの電力を使う高性能プロセッサーが必要で、こうした環境の多くには厳しい電力制限もあります。
メモリ内コンピューティングチップは、データがAIチップに届く前に一部を処理し、機器全体の消費電力を減らすのに役立つ可能性があります」
制限事項
この技術の主な制約は、新しい情報の書き込みが高温でのみ可能なことです。書き込みには約500°F（250°C）を超える温度が必要ですが、これは情報の保持にも常に同じ温度が必要という意味ではありません。
高温と低温の両方で書き込みを行う用途では、この条件が課題になります。研究者は低温環境で使う機器にヒーターを設ける案を示していますが、追加の電力や設計上の負担を考慮する必要があります。
応用例
高温メモリは、過酷な環境でのデータ記録や処理への応用が期待されます。ただし、以下はいずれも将来の用途であり、システム全体の耐熱性や信頼性を別途検証する必要があります。
想定される用途には次のようなものがあります。
- 航空宇宙工学：高温のジェットエンジン周辺でのデータ記録や監視に応用し、冷却の負担を軽減できる可能性があります。
- エネルギー分野：地熱資源の掘削では高温に耐える計測機器が必要です。耐熱メモリは坑井内の監視機器を改善する候補となります。
- 産業製造：金属鍛造やガラス製造などの高温工程で、監視や制御に利用できる可能性があります。保守費用などへの効果は実際のシステムでの検証が必要です。
- 宇宙探査：金星のような高温の惑星で長期間活動する探査機への応用が考えられます。ただし、メモリ以外の部品にも耐環境性が必要です。
- 原子力エネルギー：高温下での原子炉監視などへの応用が考えられます。耐熱性が示されたことだけで耐放射線性や原子力用途への適合性が証明されたわけではありません。
タンタルを利用する電子部品メーカー
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。
タンタルの主要な電子部品用途の一つはコンデンサです。薄い誘電体層を形成できるため、小型のケースで高い静電容量を得られます。
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
同社は炭化ケイ素を使ったパワー半導体のほか、ダイオード、MOSFET（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）、光電子部品、抵抗器、インダクタ、その他のコンデンサなども製造しています。
記事で示された売上構成では、抵抗器、MOSFET、ダイオードが主要な製品分野です。
Vishayは世界最大級のディスクリート半導体および受動部品の製品群を持つ企業の一つです。
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。
電子部品の材料と製造に関する同社の経験は、シリコン以外の材料や新しい用途への展開にも役立つ可能性があります。
2024年に発表された再編計画では、2026年末までの3拠点閉鎖と、販売費・一般管理費部門の人員約6％、約170人の削減を予定し、年間約2,300万ドルの費用削減を目指していました。6％は全従業員に対する割合ではありません。また、26億ドルの設備投資計画の対象期間は2023～2028年です。2024年第3四半期の実際の売上高は7億3,540万ドルで、7億2,000万ドルは第4四半期予想の中央値でした。記事で示された約1億ドルの株主還元額も、対象期間を確認して評価する必要があります。
タンタルなどの材料を使う電子部品の製造経験は、再生可能エネルギー、5G通信、電気自動車、航空宇宙などの需要に対応するうえで強みとなり得ます。ただし、新しいメモリ研究がそのまま同社の売上増につながると保証されるわけではありません。
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
