Minneslagring för hög temperatur närmar sig verkligheten med senaste genombrottet

Elektronik för mycket höga temperaturer

Teknik som används i extrema miljöer måste ofta tåla stark värme. Material som kompositkeramik och metaller som volfram, titaneller rodium kan ha viktiga egenskaper i sådana tillämpningar. Länkarna leder till investeringsguider för respektive metall.

För elektroniska komponenter räcker det inte att ytterhöljet tål värme. Ett värmetåligt hölje hindrar inte nödvändigtvis att värmen med tiden når kretsarna.

Vanliga kiselkretsar har temperaturgränser, men alla elektriska kretsar slutar inte fungera vid samma temperatur. Särskilda halvledarmaterial och konstruktioner kan klara högre temperaturer.

I exempelvis rymdfarkoster, kraftverk och borrutrustning används därför kylning och värmeisolering för att skydda elektroniken.

Ett minne som kan skrivas och behålla information vid 600 °C kan öppna nya möjligheter. Temperaturen är högre än blyets smältpunkt och Venus yttemperatur, men långt under stålets smältpunkt.

Forskare vid University of Michigan och Sandia National Laboratories presenterade resultaten i tidskriften Device, i studien ”Nonvolatile electrochemical memory at 600°C enabled by composition phase separation¹”.

Syrebaserat minne

Minnet bygger på förflyttning av negativt laddade syrejoner. Det skiljer sig från hur information hanteras i vanliga kiselbaserade minnen. Vid höga temperaturer kan läckströmmar och andra förändringar störa konventionell elektronik.

Syrejonerna är inte opåverkade av värme. Konstruktionen utnyttjar i stället jonernas rörelse och materialets stabila tillstånd för att lagra information vid hög temperatur.

Hur det fungerar

Syrejoner flyttas mellan områden med tantal och tantaloxid.

Källa: Cell Device

En fast elektrolyt möjliggör jontransport samtidigt som den begränsar elektronisk ledning. Fasseparation hjälper materialet att behålla olika sammansättningar och därmed informationstillstånd, tills en elektrisk spänning ändrar dem.

Konstruktionen använder tre platinaelektroder för att styra och avläsa tillståndet.

Principen liknar på vissa sätt laddning och urladdning av ett batteri, men här används den elektrokemiska förändringen för att lagra information.

Källa: Cell Device

I försöken kunde information behållas vid 600 °C i mer än 24 timmar.

Endast ett första steg

Studien är ett konceptbevis. Den demonstrerade en minnescell, inte ett färdigt minnessystem med stor kapacitet. Uppskalning kräver fortsatt utveckling.

Enligt Yiyang Li hade forskarna hittills byggt en enhet som lagrade en bit. Han beskrev megabyte eller gigabyte som en teoretisk framtida möjlighet efter ytterligare utveckling och investeringar.

Yiyang Li – biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid University of Michigan

Andra material har också visats fungera som omskrivbara minnen vid hög temperatur. Forskarna pekar ändå på flera egenskaper som gör denna konstruktion intressant att utveckla vidare:

• Den kan fungera vid lägre spänningar än vissa av de ledande alternativen.
• Den kan erbjuda fler analoga tillstånd för beräkning i minnet.
  • Finare kontroll över syrefördelningen kan ge flera urskiljbara resistansnivåer i stället för enbart två binära tillstånd.
• Det kan möjliggöra enklare beräkningar direkt i minnet. Ett komplett datorsystem behöver fortfarande andra komponenter.

AI vid hög temperatur?

Analoga tillstånd kan på sikt användas för att bearbeta vissa data direkt i minnet och minska behovet av dataöverföring. Det kan vara användbart i varma miljöer med begränsad energitillgång. Studien demonstrerar dock inte en komplett AI-dator som fungerar vid 500–600 °C.

Alec Talin beskriver ett intresse för AI-baserad övervakning i extrema miljöer, där både temperatur och energibudget kan vara begränsande. Beräkning i minnet skulle kunna förbehandla vissa data innan de når en AI-processor och därmed minska systemets energibehov.

Alec Talin – Seniorforskare i avdelningen för kemi, förbränning och materialvetenskap vid Sandia National Laboratories

Begränsningar

En begränsning är att ny information i den demonstrerade enheten bara kan skrivas vid temperaturer över cirka 250 °C. Det betyder inte att redan lagrad information måste försvinna vid lägre temperatur. En lokal värmare är en tänkbar lösning för skrivning i kallare miljöer, men medför egna energi- och konstruktionskrav.

Tillämpningar

Sådana minnen skulle efter vidare utveckling kunna användas för datainsamling och viss bearbetning i extrema miljöer. Exempel på tänkbara tillämpningar är:

• Flyg- och rymdteknik: Värmetåliga minnen kan vara användbara nära heta delar av motorer. Ett fungerande komplett mätsystem kräver också sensorer och övrig elektronik som klarar miljön.
• Energisektor: Vid geotermisk borrning kan underjordiska mätinstrument utsättas för hög temperatur. Ett sådant minne kan bli en komponent i framtida övervakningsutrustning.
• Industriell tillverkning: Smide och glastillverkning är möjliga användningsområden för värmetålig elektronik. Minskade driftstopp och kostnader är dock inte visade resultat av denna studie.
• Rymdforskning: Venus höga yttemperatur gör långvarig elektronikdrift svår. Minnet kan bidra till framtida lösningar, men utgör inte ensamt ett komplett system för sonder eller farkoster.
• Kärnkraft: Vissa övervakningssystem behöver tåla både värme och strålning. Värmetålighet innebär inte automatiskt strålningshärdighet; det måste undersökas separat.

Ett företag inom tantalbaserad elektronik

Vishay Intertechnology

Nya användningsområden för tantalbaserade komponenter kan vara relevanta för etablerade tillverkare. Det innebär inte att dessa företag har antagit minnestekniken i studien eller kommer att få ökade intäkter från den.

Tantal används bland annat i kondensatorer, där ett tunt oxidskikt kan ge hög kapacitans i små komponenter.

Vishay erbjuder ytmonterade och hålmonterade tantalkondensatorer för bland annat fordon, medicinteknik, försvar och konsumentelektronik.

Källa: Vishay

Företaget tillverkar även bland annat dioder, MOSFET-transistorer, optoelektroniska sensorer, motstånd, induktorer och andra kondensatorer samt komponenter baserade på kiselkarbid.

Motstånd, MOSFET-transistorer och dioder hör till företagets större produktkategorier sett till intäkterna.

Vishay beskriver sitt utbud somett avvärldens bredaste inom diskreta halvledare och passiva komponenter.

Källa: Vishay

I den redovisning från 2024 som artikeln bygger på stod Asien och Europa för stora delar av försäljningen. Företaget hade tillverkning i Nordamerika, Asien och Europa.

Erfarenhet av olika elektroniska material kan vara värdefull när nya komponenttyper utvecklas. Studien bevisar dock inte någon särskild kommersiell fördel för Vishay.

Under 2024 meddelade Vishay ett omstruktureringsprogram med tre fabriksstängningar planerade till slutet av 2026 och årliga besparingar på minst 23 miljoner dollar när programmet genomförts. Minskningen på cirka 6 procent avsåg personal inom försäljning, administration och företagsledning, inte hela personalstyrkan. Investeringsplanen på 2,6 miljarder dollar gällde perioden 2023–2028. Intäkterna för tredje kvartalet 2024 var 735,4 miljoner dollar; 720 miljoner var mittpunkten i prognosen för fjärde kvartalet.

Förnybar energi, telekommunikation, elfordon och flygteknik är möjliga marknader för företagets komponenter. Framtida försäljning och avkastning beror på efterfrågan, konkurrens och genomförande, inte bara på utvecklingen av ett nytt material.

Studierreferens:

^{1. Li, J., et al. (publicerad elektroniskt 2024; tidskriftsvolym 2025). Nonvolatile electrochemical memory at 600°C enabled by composition phase separation. Device. https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100623}