Yüksek Sıcaklıkta Bellek Depolama, En Son Atılımla Gerçeğe Yaklaşıyor

Ultra-Yüksek Sıcaklık Elektroniği

Teknoloji geliştikçe, yüksek sıcaklık dahil giderek daha zorlu koşullarla başa çıkmak gerekiyor. Bunun için kompozit seramikler veya volfram, titanyum ya da rodyum gibi özel metaller kullanılıyor. Her metal hakkındaki ayrıntılı yatırım rehberine ilgili bağlantıdan ulaşabilirsiniz.

Elektronik bileşenler söz konusu olduğunda aşırı koşullarla başa çıkmak daha zor hale gelir. Bir roketin titanyum gövdesi ısıya dayanabilse de uzun vadede ısının içeri girmesini tamamen engellemez.

Çoğu bilgisayar çipi, nanometre ölçeğinde karmaşık işlemler yapacak şekilde tasarlandığından sıcaklık değişimlerine duyarlıdır. Dayanıklılıkları artırılabilse de geleneksel elektronik devrelerin belirli sıcaklıkların üzerinde çalışması güçleşir.

Uzay araçlarında, nükleer santrallerde ve sondaj sistemlerinde elektronik denetimin sürdürülmesi için bileşenleri çevredeki ısıdan koruyan gelişmiş soğutma sistemleri kullanılır.

Bu nedenle 1100°F (600°C) üzerindeki sıcaklıklarda veri saklayıp yeniden yazabilen yeni bir dijital bellek önemli bir ilerleme olabilir. Bu sıcaklık, çeliğin değil kurşunun erime sıcaklığının üzerindedir.

Michigan Üniversitesi ve Sandia Ulusal Laboratuvarları araştırmacılarının çalışması Device dergisinde şu başlıkla yayımlandı: “Bileşimsel faz ayrışmasıyla 600°C’de çalışan kalıcı elektrokimyasal bellek”.

Oksijen Tabanlı Bellek

Bu bellek, bilgiyi depolamak için yalnızca elektron hareketine dayanmak yerine negatif yüklü oksijen iyonlarını taşır. Yaklaşık 300°F (150°C) üzerinde geleneksel silikon tabanlı yarı iletkenlerde istenmeyen kaçak akımlar artabilir ve bellek verileri bozulabilir. Yeni tasarımda ise oksijen dağılımıyla oluşturulan durumlar yüksek sıcaklıkta daha kararlı kalır. Bu, oksijen iyonlarının ısıdan hiç etkilenmediği anlamına gelmez.

Nasıl Çalışır

Oksijen iyonları, bellekteki tantalyum oksit ve metalik tantalyum katmanları arasında taşınır.

Kaynak: Cell Device

Katı elektrolit, oksijen iyonlarının hareketine izin verirken diğer yük taşıyıcılarının katmanlar arasında geçişini sınırlar. Tantalyum ve tantalyum oksit fazları, yağ ve suya benzer biçimde ayrı kalır. Bu durum, uygulanan voltajla değiştirilene kadar bilginin korunmasına yardımcı olur.

Oksijen iyonlarının hareketi üç platin elektrot aracılığıyla kontrol edilir.

Süreç, bir pilin şarj ve deşarj olmasına benzer; ancak amaç kimyasal enerji yerine bilgiyi temsil eden yapısal durumları saklamaktır.

Kaynak: Cell Device

Bilgi durumları, 1100°F üzerindeki sıcaklıklarda 24 saatten uzun süre korunabilir.

Sadece İlk Adım

Yayımlanan çalışma öncelikle bir kavram kanıtıdır. İlk cihaz yalnızca bir bit bilgi saklar. Araştırmacılar, daha fazla geliştirmeyle kapasitenin artırılabileceğini düşünüyor; büyük kapasiteli bir bellek henüz gösterilmiş değil.

“Şu ana kadar, bir bit tutan bir cihaz inşa ettik; bu, diğer yüksek sıcaklık bilgisayar bellek gösterimleriyle eşdeğerdir. Daha fazla geliştirme ve yatırım ile teorik olarak megabaytlar ya da gigabaytlar kadar veri tutabilir.”

Yiyang Li – — Michigan Üniversitesi malzeme bilimi ve mühendisliği öğretim üyesi

Bu teknolojinin ısıya dayanıklılığı, yeniden yazılabilir yüksek sıcaklık belleği için geliştirilen ferroelektrik bellek ve polikristalin platin elektrot nanoaralıkları gibi alternatiflerle karşılaştırılabilir. Bununla birlikte geliştirilmesini cazip kılan bazı avantajları var:

• Bazı önde gelen alternatiflerden daha düşük voltajlarda çalışabilir.
• Bellek içi hesaplama için daha fazla analog durum sağlayabilir.
  • Oksijen gradyanının daha hassas kontrolü, basit ikili yerine 100’den fazla direnç durumu ile bellek içinde hesaplamayı mümkün kılabilir.
• Bellek içi hesaplama mümkün olabilir; bu, klasik bir silikon tabanlı çip eklemeden bellek tarafından basit hesaplamaların yapılmasını sağlar.

Yüksek Sıcaklıkta Yapay Zekâ?

Basit ikili 0 ve 1 durumları yerine daha fazla analog durumla veri kodlamak, bellek içi hesaplamada enerji tüketimini azaltabilir.

Bu yaklaşım, yüksek sıcaklıklarda yapay zekâ sistemleri için ön işleme yapılmasını kolaylaştırabilir. Geleneksel işlemciler fazla güç tüketir ve ek ısı üretir. Bunları 500–600°C koşullarında çalıştırmak son derece zordur.

“Bu aşırı ortamlarda izlemeyi geliştirmek için yapay zekâ kullanımına büyük ilgi var. Ancak güçlü işlemci çipleri çok enerji tüketiyor ve bu ortamların çoğunda kullanılabilir güç ciddi biçimde sınırlı.

Bellek içi hesaplama çipleri, verilerin bir bölümünü yapay zekâ çiplerine ulaşmadan işleyerek cihazın toplam güç tüketimini azaltabilir.”

Alec Talin – Sandia Ulusal Laboratuvarları Kimya, Yanma ve Malzeme Bilimi Bölümü’nde kıdemli bilim insanı

Kısıtlamalar

Bu teknolojinin önemli bir sınırlaması, veri yazma işleminin yalnızca yüksek sıcaklıklarda yapılabilmesidir. Cihaza yeni bilgi ancak yaklaşık 500°F (250°C) üzerinde yazılabilir.

Belleğin hem yüksek hem düşük sıcaklıklarda yeniden yazılması gerekiyorsa bu ciddi bir sorun olabilir. Araştırmacılar düşük sıcaklıkta çalışan cihazlara bir ısıtıcı eklenebileceğini belirtiyor; ancak bu ek enerji ve donanım gerektirir.

Uygulamalar

Bu tür yüksek sıcaklık bellekleri ve elektronik sistemler, aşırı koşullarda veri ölçümü ve hesaplama için yararlı olabilir.

Örneğin:

• Havacılık ve Uzay Mühendisliği: Jet motorlarında, iç sıcaklıklar son derece yüksek olduğunda, bu bellek teknolojisi, kapsamlı soğutma mekanizmalarına ihtiyaç duymadan yerleşik veri kaydı ve gerçek zamanlı izleme sistemlerinin güvenilir bir şekilde çalışmasını sağlayabilir.
• Enerji Sektörü: Jeotermal enerji çıkarımı, yüksek yeraltı sıcaklıklarına maruz kalan ekipmanları içerir. Bu ısıya dayanıklı belleğin uygulanması, sondaj altı izleme cihazlarının dayanıklılığını ve verimliliğini artırarak daha etkili kaynak yönetimine yol açabilir.
• Endüstriyel Üretim: Metal dövme ve cam üretimi gibi süreçler yüksek sıcaklıklarda çalışır. Bu bellek teknolojisinin kontrol sistemlerine entegrasyonu, süreç izleme ve otomasyonu iyileştirerek duruş süresini ve bakım maliyetlerini azaltabilir.
• Uzay Keşfi: Venüs gibi aşırı yüzey sıcaklıklarına sahip gezegenlerde geleneksel elektronikler başarısız olur. Bu ilerleme, bu tür zorlu koşullarda uzun süreli görevler yapabilen sondalar ve gezginler geliştirilmesini kolaylaştırarak keşif yeteneklerimizi genişletebilir.
• Nükleer Enerji: Bileşenler yoğun ısı ve radyasyona maruz kalır. Bu dayanıklı belleğin kullanılması, reaktör izleme sistemlerinin dayanıklılığını ve ömrünü artırarak daha güvenli ve verimli enerji üretimine katkıda bulunabilir.

Tantalyum Elektroniği Şirketi

Vishay Intertechnology

Tantalyum tabanlı elektronikler, havacılık ve jeotermal enerji gibi alanlarda yüksek sıcaklık uygulamaları buldukça sektörün mevcut üreticileri uzun vadede fayda sağlayabilir.

Tantalyum şu anda çoğunlukla kondansatörlerde kullanılıyor, çok ince bir dielektrik katmanına izin vererek daha küçük kasa boyutlarında yüksek kapasitans değerleri sağlar.

Vishay; otomotiv, savunma, taşınabilir tüketici elektroniği, tıbbi cihazlar ve birçok başka uygulama için yüzeye montajlı ve delikten montajlı tantalyum kondansatörler sunuyor.

Kaynak: Vishay

Şirket ayrıca silisyum karbür tabanlı güç elektroniği ve diyotlar, MOSFET’ler (metal oksit yarı iletken alan etkili transistörler), optoelektronik sensörler, dirençler, manyetik bileşenler ve diğer kondansatör türlerini üretiyor.

Gelir açısından en büyük ürün kategorileri dirençler, MOSFET’ler ve diyotlardır.

Vishay bu ürün yelpazesini şöyle tanımlıyor: “dünyanın en geniş ayrık yarı iletken ve pasif bileşen portföyü”.

Kaynak: Vishay

Şirket satışlarının büyük bölümü Asya (%39) ve Avrupa’dan (%35) geliyor. Üretim tesisleri Kuzey Amerika, Asya ve Avrupa’da bulunuyor.

Vishay’ın farklı elektronik malzemelerle üretim deneyimi, sektör silikonun ötesindeki malzemelere yöneldikçe avantaj sağlayabilir.

Şirketin 2024’te açıkladığı yeniden yapılanma programı, 2026 sonuna kadar 3 tesisin kapatılmasını ve çalışan sayısının %6 azaltılmasını kapsıyor; hedef yıllık 23 milyon dolar tasarruf. Aynı dönemde ihtiyaç duyulan alanlarda üretim kapasitesini artırmak için dört yıla yayılan 2,6 milyar dolarlık yatırım planı bulunuyor. Karşılaştırma için, 2024’ün üçüncü çeyrek geliri 720 milyon dolar; makale hissedarlara yaklaşık 100 milyon dolar iade politikasını da aktarıyor.

Vishay’ın tantalyum gibi özel metaller kullanarak karmaşık güç elektroniği ve yarı iletken bileşenler üretme deneyimi; yenilenebilir enerji, 5G iletişim, elektrikli araçlar ve havacılık sektörlerindeki büyümeden yararlanmasına yardımcı olabilir.

Çalışma Referansı:

^{1. Li, J., ve diğerleri (2024). Bileşimsel faz ayrışmasıyla 600°C’de çalışan kalıcı elektrokimyasal bellek. Device. https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100623}