Yüksek Sıcaklıkta Bellek Depolama, En Son Atılımla Gerçeğe Yaklaşıyor

Ultra-Yüksek Sıcaklık Elektroniği

As mankind pushes its technology ever further, it keeps dealing with more and more extreme conditions, including heat. This is often handled with advanced materials like composite ceramics or special rare metals like volfram, titan, or rodyum (follow the links for a detailed investing guide for each metal).

Dealing with extreme conditions gets a little more complicated when electronic components get involved. A rocket titanium shell might withstand heat but will not block the heat from entering in the long run.

Most computer chips are designed to perform complex operations at the nanometer scale, making them very sensitive to changes in temperature. And while some hardening can be done, past a certain temperature threshold, no classical electric circuit can keep functioning.

To keep electronic controls in spaceships, nuclear power plants, or drilling systems, advanced cooling systems are used to shield the electronic elements from the surrounding environment.

This is why a newly developed form of digital memory that can store and write information at temperatures over 1100°F (600°C), or the melting temperature of steel, could be a game changer.

This achievement by researchers of the University of Michigan and Sandia National Laboratories’ was published in the scientific journal device, under the title “Kompozisyon faz ayrımıyla 600°C’de etkinleştirilen kalıcı elektrokimyasal bellek”.

Oksijen Tabanlı Bellek

This memory method works by moving negatively charged oxygen atoms rather than electrons. Above 300°F (150°C), conventional silicon-based semiconductors start conducting uncontrollable levels of current.

The result is that in classic electronics, high temperatures can wipe out information in the device’s memory. However, oxygen ions are not affected by the heat.

Nasıl Çalışır

The oxygen atoms are moved between two layers in the memory—the semiconductor tantalum oxide and the metal tantalum.

Kaynak: Cell Device

The movement is allowed by a solid electrolyte that acts as a barrier by keeping other charges from moving between the layers. The tantalum and tantalum oxide layers do not mix, similar to oil and water, so these new layers will not revert back to the original state until the voltage is switched.

The oxygen ions are guided by a series of three platinum electrodes.

This is actually very similar to how a battery charges and discharges, except that this process optimizes the structure retention of information instead of chemical energy.

Kaynak: Cell Device

The information states can be stored above 1100 °F for more than 24 hours.

Sadece İlk Adım

This scientific publication was really a proof of concept more than anything else. The initial device only retains one bit of information, but there is no theoretical limit to a much larger memory capacity.

“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 – U-M malzeme bilimi ve mühendisliği yardımcı doçenti

In itself, this technology is relatively similar in its performance to other materials that have been developed for re-writable, high-temperature memory (like ferroelectric memory and polycrystalline platinum electrode nanogaps).

It has, however quite a few unique advantage,s making it more likely to be worth improving:

• 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 AI?

Such analog capacity with complex data encoding instead of the simpler 0 & 1 of binary could help drastically reduce power consumption.

This could be a game changer for using anything close to AI technology in high-temperature environments. Conventional computing would be too power consuming, itself a source of heat that is sometimes difficult to deal with in normal conditions. Doing so in 500-600°C conditions is nearly impossible.

“Bu aşırı ortamlarda izlemeyi iyileştirmek için AI kullanmaya yönelik büyük bir ilgi var, ancak bunlar çok fazla güç tüketen güçlü işlemci çiplerine ihtiyaç duyuyor ve bu aşırı ortamların birçoğunun da katı güç bütçeleri var.

Bellek içi hesaplama çipleri, AI çiplerine ulaşmadan önce bu verilerin bir kısmını işleyebilir ve cihazın toplam güç tüketimini azaltabilir.

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

Kısıtlamalar

One major limitation of this technology is that it only works at high temperatures. New information can only be written on the device above 500°F (250°C).

So, if the memory needs to be used in both high and low temperatures, this could be a serious issue. And while the researchers suggest a heater could solve the problem for devices that must also work at lower temperatures, this is likely not ideal.

Uygulamalar

This sort of high-temperature memory and electronic systems would be ideal for measuring data and doing computation in extreme environments.

For example:

• 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.

Tantalum Elektronik Şirketi

Vishay Intertechnology

As tantalum-based electronics are finding new applications for high-temperature conditions in advanced technology like aerospace and geothermal energy, current leaders in the segment might benefit in the long term.

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

Vishay offers surface mount and through-hole tantalum capacitors for use in automotive, military, portable consumer devices, medical devices, and many other applications.

Kaynak: Vishay

The company also produces power electronics (silicon carbide) and other electronic components: diodes, MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor), optoelectronics sensors, resistors, magnets, and other types of capacitors.

The largest categories are by revenues: resistors, MOSFETs, and diodes.

This gives Vishay the “world’s largest portfolio of discrete semiconductors and passive components”.

Kaynak: Vishay

Most of the company’s sales come from Asia (39%) and Europe (35%), with manufacturing facilities in North America, Asia, and Europe.

The company’s expertise in producing electronics made of electronic material will be an asset as the industry is expanding beyond silicon chips and new materials.

The company is currently undergoing a restructuring program, closing 3 facilities by the end of 2026 and reducing headcount by 6%, in order to save $23M annualized. At the same time, it is expanding production where needed, with a $2.6B investment in capacity expansion over the next 4 years. This should be compared to a revenue of $720M in Q3 2024, and a policy of returning to shareholders around $100M.

Overall, Vishay’s manufacturing expertise in complex electronic components in power and semiconductor applications, using exotic metals like tantalum, should come in handy in growing its sales from the development of renewables, 5G telecoms, EVs, and aerospace.

Çalışma Referansı:

^{1. Li, J., et al. (2024). Kompozisyon faz ayrımıyla 600°C’de etkinleştirilen kalıcı elektrokimyasal bellek. Device. https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100623}