Armazenamento de Memória de Alta Temperatura Aproxima-se da Realização com a Última Descoberta

Eletrônicos de Ultra-Alta Temperatura

As humanidade avança sua tecnologia cada vez mais, ela continua lidando com condições cada vez mais extremas, incluindo calor. Isso costuma ser tratado com materiais avançados como cerâmicas compostas ou metais raros especiais como tungstênio, titânio, ou ródio (siga os links para um guia detalhado de investimento para cada metal).

Lidar com condições extremas torna-se um pouco mais complicado quando componentes eletrônicos estão envolvidos. Uma carcaça de titânio de foguete pode resistir ao calor, mas não impedirá que o calor entre a longo prazo.

A maioria dos chips de computador são projetados para executar operações complexas em escala nanométrica, tornando-os muito sensíveis a variações de temperatura. E embora algum endurecimento possa ser feito, acima de certo limite de temperatura, nenhum circuito elétrico clássico consegue continuar funcionando.

Para manter os controles eletrônicos em espaçonaves, usinas nucleares ou sistemas de perfuração, sistemas avançados de refrigeração são usados para proteger os elementos eletrônicos do ambiente ao redor.

É por isso que uma forma recém‑desenvolvida de memória digital que pode armazenar e gravar informações a temperaturas acima de 1100 °F (600 °C), ou a temperatura de fusão do aço, pode ser um divisor de águas.

Essa conquista, realizada por pesquisadores da Universidade de Michigan e dos Laboratórios Nacionais Sandia, foi publicada na revista científica Device, sob o título “Nonvolatile electrochemical memory at 600°C enabled by composition phase separation¹”.

Memória Baseada em Oxigênio

Esse método de memória funciona movendo átomos de oxigênio carregados negativamente em vez de elétrons. Acima de 300 °F (150 °C), semicondutores convencionais baseados em silício começam a conduzir níveis de corrente incontroláveis.

O resultado é que, na eletrônica clássica, altas temperaturas podem apagar informações na memória do dispositivo. No entanto, íons de oxigênio não são afetados pelo calor.

Como Funciona

Os átomos de oxigênio são movidos entre duas camadas na memória — o óxido de tântalo semicondutor e o metal tântalo.

Fonte: Cell Device

O movimento é possibilitado por um eletrólito sólido que atua como barreira, impedindo que outras cargas se movimentem entre as camadas. As camadas de tântalo e óxido de tântalo não se misturam, semelhante a óleo e água, de modo que essas novas camadas não retornarão ao estado original até que a voltagem seja alterada.

Os íons de oxigênio são guiados por uma série de três eletrodos de platina.

Isso é na verdade muito semelhante ao modo como uma bateria carrega e descarrega, exceto que esse processo otimiza a retenção estrutural da informação em vez de energia química.

Fonte: Cell Device

Os estados de informação podem ser armazenados acima de 1100 °F por mais de 24 horas.

Apenas um Passo Inicial

Esta publicação científica foi realmente mais uma prova de conceito do que outra coisa. O dispositivo inicial retém apenas um bit de informação, mas não há limite teórico para uma capacidade de memória muito maior.

“Até agora, construímos um dispositivo que armazena um bit, equiparável a outras demonstrações de memória de computador de alta temperatura. Com mais desenvolvimento e investimento, ele poderia, em teoria, armazenar megabytes ou gigabytes de dados.”

Yiyang Li – professor assistente de ciência e engenharia de materiais da U-M

Em si, essa tecnologia é relativamente semelhante em desempenho a outros materiais que foram desenvolvidos para memória regravável de alta temperatura (como memória ferroelétrica e nanogaps de eletrodo de platina policristalina).

No entanto, possui várias vantagens únicas, tornando-a mais provável de valer a pena melhorar:

• Pode operar em tensões mais baixas do que algumas das principais alternativas.
• Pode fornecer mais estados analógicos para computação in‑memory.
  • Um controle mais fino do gradiente de oxigênio poderia permitir computação dentro da memória, com mais de 100 estados de resistência em vez de um simples binário.
• A computação in‑memory poderia ser possível, permitindo que cálculos simples sejam realizados pela memória sem a necessidade de um chip clássico baseado em silício.

IA de Alta Temperatura?

Essa capacidade analógica com codificação de dados complexa, em vez do simples 0 e 1 binário, pode ajudar a reduzir drasticamente o consumo de energia.

Isso pode ser um divisor de águas para o uso de qualquer tecnologia próxima à IA em ambientes de alta temperatura. A computação convencional seria muito consumidora de energia, sendo ela própria uma fonte de calor que às vezes é difícil de lidar em condições normais. Operar em condições de 500‑600 °C é quase impossível.

“Há muito interesse em usar IA para melhorar o monitoramento nesses ambientes extremos, mas eles exigem chips de processador robustos que consomem muita energia, e muitos desses ambientes extremos também têm orçamentos de energia rigorosos.

Os chips de computação in‑memory poderiam ajudar a processar parte desses dados antes que cheguem aos chips de IA e reduzir o consumo total de energia do dispositivo.

Alec Talin – Cientista sênior no Departamento de Química, Combustão e Ciência dos Materiais dos Laboratórios Nacionais Sandia

Limitações

Uma grande limitação dessa tecnologia é que ela apenas funciona em altas temperaturas. Novas informações só podem ser gravadas no dispositivo acima de 500 °F (250 °C).

Portanto, se a memória precisar ser usada tanto em altas quanto em baixas temperaturas, isso pode ser um problema sério. E embora os pesquisadores sugiram que um aquecedor poderia resolver o problema para dispositivos que também precisam operar em temperaturas mais baixas, isso provavelmente não é ideal.

Aplicações

Esse tipo de memória de alta temperatura e sistemas eletrônicos seria ideal para medir dados e realizar computação em ambientes extremos.

Por exemplo:

• Engenharia Aeroespacial: Em motores a jato, onde as temperaturas internas podem ser extremamente altas, essa tecnologia de memória poderia permitir o registro de dados a bordo e sistemas de monitoramento em tempo real que funcionem de forma confiável sem a necessidade de mecanismos extensivos de refrigeração.
• Setor de Energia: A extração de energia geotérmica envolve equipamentos expostos a altas temperaturas subterrâneas. Implementar essa memória resistente ao calor poderia melhorar a durabilidade e eficiência dos instrumentos de monitoramento em poço, levando a uma gestão de recursos mais eficaz.
• Manufatura Industrial: Processos como forjamento de metal e produção de vidro operam em temperaturas elevadas. Integrar essa tecnologia de memória aos sistemas de controle poderia melhorar o monitoramento de processos e a automação, reduzindo o tempo de inatividade e os custos de manutenção.
• Exploração Espacial: Em planetas com temperaturas de superfície extremas, como Vênus, a eletrônica tradicional falha. Esse avanço poderia facilitar o desenvolvimento de sondas e rovers capazes de conduzir missões prolongadas em tais condições adversas, ampliando nossas capacidades de exploração.
• Energia Nuclear: Componentes são submetidos a calor intenso e radiação. Utilizar essa memória robusta poderia melhorar a resiliência e longevidade dos sistemas de monitoramento de reatores, contribuindo para uma produção de energia mais segura e eficiente.

Empresa Eletrônica de Tântalo

Vishay Intertechnology

À medida que eletrônicos baseados em tântalo encontram novas aplicações para condições de alta temperatura em tecnologias avançadas como aeroespacial e energia geotérmica, os líderes atuais do segmento podem se beneficiar a longo prazo.

O tântalo é atualmente usado principalmente para capacitores, permitindo uma camada dielétrica muito fina e proporcionando valores de capacitância elevados em tamanhos de caixa menores.

A Vishay oferece capacitores de tântalo de montagem em superfície e de furo passante para uso em automotivo, militar, dispositivos portáteis de consumo, dispositivos médicos e muitas outras aplicações.

Fonte: Vishay

A empresa também produz eletrônicos de potência (carbeto de silício) e outros componentes eletrônicos: diodos, MOSFET (transistor de efeito de campo metal-óxido-semiconductor), sensores optoeletrônicos, resistores, ímãs e outros tipos de capacitores.

As maiores categorias por receita são: resistores, MOSFETs e diodos.

Isso dá à Vishay a “maior portfólio mundial de semicondutores discretos e componentes passivos”.

Fonte: Vishay

A maior parte das vendas da empresa provém da Ásia (39%) e da Europa (35%), com instalações de fabricação na América do Norte, Ásia e Europa.

A expertise da empresa na produção de eletrônicos feitos de material eletrônico será um ativo à medida que a indústria se expande além dos chips de silício e novos materiais.

A empresa está atualmente passando por um programa de reestruturação, fechando 3 instalações até o final de 2026 e reduzindo o quadro de funcionários em 6%, a fim de economizar US$ 23 M anuais. Ao mesmo tempo, está ampliando a produção onde necessário, com um investimento de US$ 2,6 B em expansão de capacidade nos próximos 4 anos. Isso deve ser comparado a uma receita de US$ 720 M no terceiro trimestre de 2024, e a uma política de retorno aos acionistas de cerca de US$ 100 M.

No geral, a expertise de fabricação da Vishay em componentes eletrônicos complexos em aplicações de energia e semicondutores, usando metais exóticos como o tântalo, deve ser útil para aumentar suas vendas a partir do desenvolvimento de energias renováveis, telecomunicações 5G, veículos elétricos e aeroespacial.

Referência do Estudo:

^{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}