Naukowcy pokazali memrystor, który pracował stabilnie w 700°C i nie zdradzał oznak swojego limitu. Taka pamięć to brakujące ogniwo dla elektroniki w ekstremach.
Zespół z University of Southern California podkreśla, iż 700°C nie było magicznie dobraną granicą, tylko po prostu limitem aparatury, którą dysponowali w laboratorium – urządzenie nie wykazało oznak, iż właśnie tam zaczyna się ściana. Wysoka temperatura sama w sobie nie wystarczy, jeżeli pamięć gubi dane albo degraduje się po krótkim czasie. W opisie wyników pojawia się ponad 50 godzin retencji danych w 700°C bez potrzeby odświeżania, ponad 1 mld przełączeń w tej temperaturze, napięcie 1,5 V oraz szybkość działania w skali dziesiątek nanosekund.
Memrystor to pamięć i obliczenia w jednym elemencie
Memrystor to element pamięci rezystancyjnej. Zapis informacji polega na przełączaniu urządzenia między stanami o różnej przewodności elektrycznej. W przeciwieństwie do klasycznych układów, które rozdzielają pamięć i liczenie, memrystory są często opisywane jako cegiełki pod obliczenia w pamięci, bo ta sama fizyka, która przechowuje stan, może zostać wykorzystana do wykonywania obliczeń równolegle – szczególnie w macierzach wielu takich elementów.
W tej pracy najważniejsze jest to, iż autorzy mówią o urządzeniu, które ma być jednocześnie pamięcią nieulotną, jak i kandydatem do pracy w ekstremalnych środowiskach, gdzie zwykła elektronika musi być chłodzona, ekranowana albo po prostu się poddaje.
Wysoka temperatura jest dla elektroniki zabójcza z kilku powodów: rosną prądy upływu, pogarsza się stabilność parametrów, a w materiałach zachodzą procesy dyfuzyjne, czyli atomy zaczynają migrować. To właśnie ta migracja i związane z nią zmiany na styku warstw są jedną z typowych dróg do trwałych uszkodzeń. Wiele powszechnych rozwiązań zaczyna pękać funkcjonalnie po przekroczeniu okolic 200°C, co od lat jest jedną z barier dla pracy w gorących środowiskach.
Grafen jako bezpiecznik
W opisywanym memrystorze warstwy to górna elektroda z wolframu, w środku ceramiczny tlenek hafnu, na dole grafen. W klasycznych konstrukcjach przy wysokiej temperaturze atomy metalu z elektrody mogą stopniowo migrować przez warstwę izolacyjną aż do drugiej elektrody. Gdy utworzy się trwałe połączenie, dochodzi do zwarcia i urządzenie zostaje w stanie przewodzącym uszkodzone.
Zastosowany tu grafen ma blokować to na poziomie chemii powierzchniowej. Atomy wolframu, które docierają do interfejsu z grafenem, nie zakotwiczają się na nim w sposób sprzyjający tworzeniu trwałego mostka. Autorzy opisują to jako zjawisko wynikające z adekwatności interfejsu wolfram-grafen. Zespół miał je dodatkowo prześwietlić mikroskopią elektronową, spektroskopią i symulacjami na poziomie kwantowym, żeby nie skończyć na stwierdzeniu, iż działa, bo działa, tylko zrozumieć, co dokładnie zatrzymuje awarię.
Skąd w pracy wzięła się wzmianka do Wenus?
Badacze z USC w swojej pracy jako punkt odniesienia podają Wenus. Autorzy wskazują, iż agencje kosmiczne od lat szukają elektroniki zdolnej pracować powyżej 500°C, czyli w zakresie zbliżonym do temperatur panujących na powierzchni Wenus. To nie jest przypadkowy przykład, tylko skrót dla klasy problemu. jeżeli układ działa w setkach stopni, przestaje być konieczne budowanie całej misji wokół chłodzenia, izolacji termicznej i ograniczania czasu pracy wyłącznie dlatego, iż padnie elektronika.
Wenus jest tu szczególnie brutalnym testem, bo jej średnia temperatura przy gruncie to około 467°C, a do tego dochodzi wysokie ciśnienie i agresywna chemicznie atmosfera. Oznacza to, iż choćby jeżeli mechanika lądownika i systemy zasilania przetrwają, to bez elektroniki odpornej na stałe zagotowywanie misja powierzchniowa skończy się po krótkim czasie.
Rekord nie oznacza oczywiście automatycznie wynalezienia komputera na Wenus, bo misje planetarne to także odpowiednia logika i całe systemy sterowania, hermetyzacja, odporność na korozję, łączność, zasilanie i integracja wielu elementów w jeden działający zestaw. Ale taki wynik pokazuje pamięć, która nie degraduje się od samej temperatury i może trzymać dane bez odświeżania w warunkach, w których standardowe układy po prostu przestają działać.
Ten sam argument działa oczywiście także na Ziemi. Podobnych temperatur wymaga elektronika do głębokich odwiertów geotermalnych, czujników pracujących blisko gorących instalacji przemysłowych czy systemów monitoringu w energetyce, gdzie wysoka temperatura jest stałym środowiskiem pracy, a nie krótkim pikiem.
Od demonstracji do realnego produktu
Sama pamięć nie jest komputerem, a obecne egzemplarze były wykonywane w warunkach laboratoryjnych. Z perspektywy przemysłu istotne jest jednak to, iż dwa z trzech materiałów (wolfram i tlenek hafnu) są już dobrze znane w produkcji półprzewodników. To oznacza, iż część infrastruktury procesowej już istnieje, a wdrożenie nie wymaga wymyślania całej fabryki od zera.
Na ten moment największą niewiadomą pozostaje jednak grafen. Nie dlatego, iż nie da się go wytworzyć, tylko dlatego, iż w przemyśle liczy się powtarzalność w skali wafla, zgodność z resztą procesu, czystość, jednorodność oraz to, czy kolejne partie zachowują się identycznie. Grafen musi więc przestać być tylko materiałem z laboratorium, a stać się elementem, który da się produkować masowo z przewidywalnym wynikiem i bez rozjeżdżania parametrów w serii. Dopiero wtedy takie rekordowe urządzenie ma szansę wyjść poza pojedyncze prototypy i zamienić się w technologię, którą da się kupić i wdrożyć.
