Høyt temperaturminnelagring kommer nærmere realisering med siste gjennombrudd

Ultra‑høy temperatur elektronikk

As menneskeheten presser teknologien stadig videre, må den håndtere stadig mer ekstreme forhold, inkludert varme. Dette håndteres ofte med avanserte materialer som sammensatte keramikk eller spesielle sjeldne metaller som wolfram, titan, eller rhodium (følg lenkene for en detaljert investeringsguide for hvert metall).

Å håndtere ekstreme forhold blir litt mer komplisert når elektroniske komponenter er involvert. Et rakett‑titanskall kan tåle varme, men vil ikke blokkere varmen fra å trenge inn på lang sikt.

De fleste databrikker er designet for å utføre komplekse operasjoner på nanometerskala, noe som gjør dem svært følsomme for temperaturendringer. Og selv om noe herding kan gjøres, vil ingen klassisk elektrisk krets kunne fungere over en viss temperaturgrense.

For å holde elektronisk kontroll i romskip, kjernekraftverk eller boreanlegg, brukes avanserte kjølesystemer for å beskytte de elektroniske komponentene mot omgivelsene.

Dette er grunnen til at en nyutviklet form for digitalt minne som kan lagre og skrive informasjon ved temperaturer over 1100°F (600°C), eller smeltetemperaturen til stål, kan bli en spillveksler.

This achievement by researchers of the University of Michigan and Sandia National Laboratories’ was published in the scientific journal device, under the title “Ikke‑flyktig elektro‑kjemisk minne ved 600°C muliggjort av fase‑separasjon av sammensetning¹”.

Oksygenbasert minne

Denne minnemetoden fungerer ved å flytte negativt ladede oksygenatomer i stedet for elektroner. Over 300°F (150°C) begynner konvensjonelle silisium‑baserte halvledere å lede ukontrollerbare strømnivåer.

Resultatet er at i klassisk elektronikk kan høye temperaturer slette informasjon i enhetens minne. Imidlertid påvirkes oksygenioner ikke av varmen.

Hvordan det fungerer

Oksygenatomene flyttes mellom to lag i minnet – halvleder‑tantalumoksid og metallet tantalum.

Kilde: Cell Device

Bevegelsen tillates av en fast elektrolytt som fungerer som en barriere ved å hindre andre ladninger fra å bevege seg mellom lagene. Tantalum‑ og tantalumoksidlagene blander seg ikke, lik olje og vann, så disse nye lagene vil ikke gå tilbake til den opprinnelige tilstanden før spenningen endres.

Oksygenionene ledes av en serie på tre platinelektroder.

Dette er faktisk svært likt hvordan et batteri lades og utlades, bortsett fra at denne prosessen optimaliserer strukturell bevaring av informasjon i stedet for kjemisk energi.

Kilde: Cell Device

Informasjonsstatusene kan lagres over 1100 °F i mer enn 24 timer.

Bare et første steg

Denne vitenskapelige publikasjonen var egentlig mer et bevis på konseptet enn noe annet. Den første enheten lagrer kun én bit informasjon, men det finnes ingen teoretisk grense for en mye større minnekapasitet.

«Så langt har vi bygget en enhet som holder én bit, på nivå med andre høytemperatur‑dataminnedemonstrasjoner. Med mer utvikling og investering kunne den i teorien lagre megabytes eller gigabytes med data.»

Yiyang Li – U-M assisterende professor i materialvitenskap og ingeniørfag

I seg selv er denne teknologien relativt lik i ytelse til andre materialer som er utviklet for omskrivbart, høytemperatur‑minne (som ferroelectric‑minne og polykrystallinske platinelektrode‑nanogap).

Den har imidlertid en rekke unike fordeler som gjør det mer sannsynlig at den er verdt å forbedre:

• Den kan operere ved lavere spenninger enn noen av de ledende alternativene.
• Den kan tilby flere analoge tilstander for in‑memory‑beregning.
  • Finere kontroll av oksygengradienten kan muliggjøre beregning inne i minnet, med mer enn 100 motstandstilstander i stedet for en enkel binær.
• In‑memory‑beregning kan være mulig, og tillate enkle beregninger utført av minnet uten å legge til en klassisk silisium‑basert chip.

Høytemperatur AI?

Slik analog kapasitet med kompleks data‑koding i stedet for den enklere 0 & 1‑binæren kan bidra til å redusere strømforbruket drastisk.

Dette kan bli en spillveksler for bruk av AI‑teknologi i høytemperaturmiljøer. Konvensjonell databehandling ville være for strømintensiv, og selv en kilde til varme som noen ganger er vanskelig å håndtere under normale forhold. Å gjøre dette ved 500‑600 °C er nesten umulig.

«Det er stor interesse for å bruke AI til å forbedre overvåkning i disse ekstreme miljøene, men de krever kraftige prosessorbrikker som bruker mye strøm, og mange av disse ekstreme miljøene har også strenge strømbudsjetter.

In‑memory‑beregningsbrikker kan bidra til å behandle noe av dataene før de når AI‑brikkene og redusere enhetens totale strømforbruk.

Alec Talin – Seniorforsker i avdelingen for kjemi, forbrenning og materialvitenskap ved Sandia National Laboratories

Begrensninger

En viktig begrensning ved denne teknologien er at den kun fungerer ved høye temperaturer. Ny informasjon kan kun skrives til enheten over 500 °F (250 °C).

Så hvis minnet må brukes både i høye og lave temperaturer, kan dette være et alvorlig problem. Og selv om forskerne foreslår at en varmer kan løse problemet for enheter som også må fungere ved lavere temperaturer, er dette sannsynligvis ikke ideelt.

Applikasjoner

Denne typen høytemperatur‑minne og elektroniske systemer vil være ideell for måling av data og beregning i ekstreme miljøer.

For eksempel:

• Romfartsteknikk: I jetmotorer, hvor interne temperaturer kan være ekstremt høye, kan denne minneteknologien muliggjøre ombord datalogging og sanntidsovervåkningssystemer som fungerer pålitelig uten behov for omfattende kjølemekanismer.
• Energisektor: Utvinning av geotermisk energi innebærer utstyr utsatt for høye underjordiske temperaturer. Implementering av dette varmemotstandsdyktige minnet kan forbedre holdbarheten og effektiviteten til nedhulls‑overvåkingsinstrumenter, noe som fører til mer effektiv ressursforvaltning.
• Industriell produksjon: Prosesser som metallforming og glassproduksjon foregår ved høye temperaturer. Integrering av denne minneteknologien i kontrollsystemer kan forbedre prosessovervåking og automatisering, redusere nedetid og vedlikeholdskostnader.
• Romutforskning: På planeter med ekstreme overflatetemperaturer, som Venus, svikter tradisjonell elektronikk. Denne utviklingen kan legge til rette for utvikling av sonder og rovere som kan gjennomføre lengre oppdrag under slike tøffe forhold, og utvide våre utforskningsmuligheter.
• Kjerneenergi: Komponenter utsettes for intens varme og stråling. Bruk av dette robuste minnet kan forbedre motstandsdyktigheten og levetiden til reaktorovervåkingssystemer, og bidra til tryggere og mer effektiv energiproduksjon.

Tantalum Electronic Company

Vishay Intertechnology

Ettersom tantalumbaserte elektronikk finner nye anvendelser for høytemperaturforhold i avansert teknologi som romfart og geotermisk energi, kan nåværende ledere i segmentet ha nytte på lang sikt.

Tantalum brukes for tiden hovedsakelig til kondensatorer, som tillater et svært tynt dielektrisk lag og gir høye kapasitetsverdier i mindre kapselstørrelser.

Vishay tilbyr overflate‑monterte og gjennom‑hull tantalum‑kondensatorer for bruk i bilindustri, militær, bærbare forbrukerenheter, medisinsk utstyr og mange andre anvendelser.

Kilde: Vishay

Selskapet produserer også kraft‑elektronikk (silisiumkarbid) og andre elektroniske komponenter: dioder, MOSFET (metal‑oksid‑semiconductor felt‑effekt transistor), optoelektroniske sensorer, motstander, magneter og andre typer kondensatorer.

De største kategoriene etter inntekter er: motstander, MOSFET‑er og dioder.

Dette gir Vishay den «verdens største porteføljen av diskrete halvledere og passive komponenter».

Kilde: Vishay

Mesteparten av selskapets salg kommer fra Asia (39 %) og Europa (35 %), med produksjonsanlegg i Nord‑America, Asia og Europa.

Selskapets ekspertise i å produsere elektronikk laget av elektronisk materiale vil være en ressurs når industrien utvider seg utover silisiumbrikker og nye materialer.

Selskapet gjennomgår for tiden et restruktureringsprogram, lukker 3 anlegg innen slutten av 2026 og reduserer arbeidsstyrken med 6 % for å spare $23 M per år. Samtidig utvider det produksjonen der det trengs, med en investering på $2,6 B i kapasitetsutvidelse de neste 4 årene. Dette bør sammenlignes med en inntekt på $720 M i Q3 2024, og en politikk om å returnere rundt $100 M til aksjonærene.

Generelt vil Vishays produksjonsekspertise innen komplekse elektroniske komponenter i kraft‑ og halvlederapplikasjoner, ved bruk av eksotiske metaller som tantalum, være nyttig for å øke salget fra utviklingen av fornybar energi, 5G‑telekommunikasjon, el‑biler og romfart.

Studierreferanse:

^{1. Li, J., et al. (2024). Ikke‑flyktig elektro‑kjemisk minne ved 600°C muliggjort av fase‑separasjon av sammensetning. Device. https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100623}