Высокопроизводительная электроника десятилетиями страдала от одной и той же уязвимости – экстремального нагрева. Для инженеров, проектирующих микросхемы для работы в раскалённых средах – от глубин земной коры до поверхности Венеры, порог отказа электроники традиционно проходил в районе 200 градусов Цельсия. Новое исследование Университета Южной Калифорнии (USC) показывает, что этот барьер наконец удалось преодолеть.
Исследователи из Инженерной школы Витерби при USC продемонстрировали электронную память, функционирующую далеко за пределами известных термических ограничений. В ходе экспериментов девайс сохранял стабильность при 700 °C – температуре выше, чем у расплавленной лавы, без каких-либо признаков деградации.
Джошуа Ян, профессор кафедры электротехники и вычислительной техники USC и старший автор исследования, отметил:
Можете назвать это революцией. Это лучшая высокотемпературная память из когда-либо продемонстрированных.
В основе прорыва лежит наноразмерный компонент – мемристор, способный одновременно хранить и обрабатывать данные. Конструкция команды представляет собой «сэндвич» из материалов, как описывает Ян: вольфрам сверху, оксид гафния посередине и одноатомный слой графена внизу.
Каждый материал выполняет свою роль. Высокая температура плавления вольфрама обеспечивает долговечность, оксид гафния как керамический изолятор даёт стабильность, а устойчивость графена и его уникальные химические свойства предотвращают короткое замыкание в условиях экстремального нагрева.
По словам ведущего автора Цзянь Чжао, девайс удерживал данные более 50 часов при 700 °C без циклов обновления, выдержал свыше миллиарда переключений и работал при напряжении всего 1,5 вольта на наносекундных скоростях. Что особенно примечательно – исследователи так и не достигли точки отказа самого чипа. Ограничивающим фактором стало тестовое оборудование.
Открытие оказалось случайным – команда экспериментировала с конструкциями на основе графена для совершенно другой цели, когда наткнулась на этот эффект. Последующий анализ с помощью электронной микроскопии, спектроскопии и квантового моделирования объяснил механизм: графен сопротивляется химическому связыванию с вольфрамом, предотвращая миграцию атомов металла, которая обычно разрушает высокотемпературную электронику.
Группа Яна видит широкие перспективы для открытия. Космические агентства давно искали «железо», способное работать при температурах выше 500 °C – примерной температуре поверхности Венеры. Учитывая, что прототип уже стабилен при 700 °C, технология может позволить планетарным зондам, геотермальным буровым системам или ядерным реакторам использовать встроенную вычислительную аппаратуру вместо зависимости от дистанционного управления.
Не менее значимы перспективы для ИИ. Мемристоры выполняют матричное умножение – основу большинства алгоритмов ИИ – через прямые физические процессы, подчиняющиеся закону Ома, что позволяет проводить вычисления при значительно меньшем энергопотреблении и большей скорости по сравнению с традиционными чипами.
Более 92% вычислений в ИИ-системах вроде ChatGPT – это матричное умножение. Этот тип девайса выполняет его максимально эффективно – на порядки быстрее и с меньшим расходом энергии.
Ян уже основал стартап TetraMem совместно с тремя соавторами исследования, нацеленный на коммерциализацию мемристорного ИИ-железа для работы при комнатной температуре. Однако учёный признаёт, что до практических систем ещё далеко.
Это первый шаг. Путь ещё длинный. Но логически всё очевидно – теперь это стало возможным. Недостающий компонент создан.
Два из трёх материалов – вольфрам и оксид гафния, уже используются в стандартном полупроводниковом производстве, а промышленный выпуск графена развивают такие гиганты, как TSMC и Samsung.
