Новый чип памяти сможет работать при температуре вулканической лавы

Они создали мемристор, который продолжает безотказно работать при 700 градусах, а это горячее, чем температура расплавленной лавы. И, судя по данным, это не предел, а просто потолок их измерительной установки.

Исследование вышло в журнале Science под руководством профессора Джошуа Янга. Устройство устроено как наноразмерный бутерброд. Верхний слой содержит вольфрам, металл с самой высокой температурой плавления, посередине находится керамика из оксида гафния, а снизу расположен графеновый слой толщиной в один атом. В такой конфигурации память хранит данные больше пятидесяти часов при 700 градусах без обновления, выдерживает более миллиарда циклов перезаписи и работает на напряжении всего 1,5 вольта со скоростью в десятки наносекунд.

Самое любопытное, что к этому результату пришли случайно. Изначально группа Янга пыталась с помощью графена реализовать другую идею. Та не сработала, зато обнаружилось нечто неожиданное. Обычные мемристоры на основе платины и оксида гафния при нагреве выходят из строя из‑за того, что атомы вольфрама начинают мигрировать сквозь керамический слой, пока не добираются до нижнего электрода и не замыкают устройство накоротко. В новой конструкции графен эту миграцию останавливает. Поверхностное взаимодействие между графеном и вольфрамом оказалось настолько слабым, что атомам вольфрама не за что зацепиться. Они просто не могут образовать сплошной проводящий мост, а значит, короткого замыкания не происходит.

Чтобы убедиться в механизме, команда использовала просвечивающую электронную микроскопию, спектроскопию и квантовое моделирование. Выяснилось, что на границе раздела графен — вольфрам атомы ведут себя иначе, чем на привычных металлических электродах. Барьеры для поверхностной диффузии там выше, а адсорбция — слабее. Теперь, зная этот принцип, можно искать другие материалы со схожей химией поверхности, что в перспективе упростит промышленное производство.

Потенциальных применений у такой термостойкой памяти несколько. Космические агентства давно мечтают об электронике, способной работать при температуре поверхности Венеры, где даже самые защищённые зонды выходят из строя. Геотермальная энергетика требует датчиков, которые могут спускаться в глубокие скважины, где царят экстремальные температуры. Ядерные и термоядерные установки также сильно нагревают управляющую аппаратуру. А для автомобильной электроники, рассчитанной на пиковые 125 градусов, чип, сохраняющий работоспособность при 700, был бы практически неубиваемым.

Особый интерес устройство вызывает в контексте искусственного интеллекта. Мемристоры способны выполнять главную операцию нейросетей — умножение матриц, не как обычные цифровые процессоры, перебирая числа шаг за шагом, а физически, по закону Ома. Напряжение, умноженное на проводимость, даёт ток. И этот ток уже является результатом вычисления. Джошуа Янг поясняет, что более 92% вычислительной нагрузки таких систем, как ChatGPT, сводится именно к умножению матриц. А значит, подобные чипы могут выполнять её на порядки быстрее и с гораздо меньшим энергопотреблением.

Конечно, до готового продукта пока далеко. Сама по себе память не делает компьютер полноценным — нужны ещё высокотемпературные логические схемы, а нынешние устройства собраны вручную в лаборатории в субмикронном масштабе. Конечно же выход технологии на рынок потребует времени, но используемые вольфрам и оксид гафния уже давно используются в полупроводниковой индустрии, и несмотря на то, что графен для отрасли относительно нов, TSMC и Samsung включили его в свои дорожные карты, и уже научились выращивать на кремниевых пластинах.

Сам Янг называет это первым шагом. По его словам, теперь недостающий компонент создан, а значит, возможность есть. Останется только превратить её в реальные приборы, которые смогут работать там, где раньше электроника просто плавилась.

Между тем, российская микроэлектроника вступает в этап жесткой консолидации. Эксперты считают, что выживут лишь компании с полным циклом, доступом к госзаказу и своей технологической нишей.