Paměťový čip, který by fungoval i v pekle
Unikátní čip, vyrobený z neobvyklé kombinace ultraodolných materiálů, je schopný nejen přežít extrémní žár více než 700 °C, ale dokonce i normálně při takových teplotách fungovat. Dokáže ukládat data a provádět výpočty i v podmínkách daleko za hranicemi toho, co zvládá dnešní elektronika.
Při extrémním horku běžná elektronika obvykle selhává, jakmile teploty stoupnou nad zhruba 200 °C, výkon se začne prudce snižovat a brzy následuje fatální selhání. Inženýři se celá desetiletí snaží tuto hranici překonat, ale nebyli příliš úspěšní – až dosud.
Ve studii publikované v časopise Science představil tým výzkumníků z USC (University of Southern California) ve spolupráci s kolegy z Centra excelence, Centra Concrete pro neuromorfní výpočty v extrémních prostředích, Výzkumné laboratoře letectva a materiálových laboratoří AFRL v Daytonu, a Kumamotské univerzity v Japonsku nové paměťové zařízení, které pracuje při 700 °C. To je teplota vyšší, než dosahuje roztavená láva a daleko za hranicemi stávajících technologií. A možná to ještě není konečná – naměřená rekordní hodnota byla prostě nejvyšší, jakou zkušební zařízení, které během testování nevykazovalo žádné známky selhání, mohlo dosáhnout.
Superodolný memristor
Z technického hlediska je touto „zázračnou“ komponentou memristor, což je nanokomponenta, která dokáže ukládat informace i provádět výpočty. Strukturálně připomíná malý vrstvený svazek se dvěma elektrodami obklopujícími tenkou keramickou vrstvu. Funguje odlišným způsobem než konvenční počítače, které provádějí potřebné výpočty krok za krokem a spotřebovávají přitom značné množství energie. Memristory místo toho díky využití Ohmova zákona, kde napětí krát vodivost se rovná proudu, provádějí výpočty přímo v okamžiku, kdy jimi protéká elektřina a výsledek se získá okamžitě měřením proudu.
Při konstrukci mikroskopické struktury použili vědci pro horní elektrodu wolfram, který má nejvyšší bod tání ze všech kovů, pro spodní vrstvu grafen a uhlíkovou membránu o tloušťce jednoho atomu, známou svou extrémní pevností a odolností vůči teplu, mezi nimi je umístěna keramická izolační střední vrstva z oxidu hafnia. Tato kombinace přinesla působivé výsledky. Zařízení si uchovalo uložená data více než 50 hodin při 700 °C, aniž by bylo nutné je obnovovat, přičemž při této teplotě také zvládlo přes miliardu spínacích cyklů a fungovalo na pouhých 1,5 V s rychlostmi měřenými v desítkách nanosekund.
Pozoruhodné je, že průlomový objev nebyl původním cílem týmu, ale došlo k němu, jak to často bývá, náhodou. Vědci pracovali na jiném designu na bázi grafenu, ale během vývojového procesu narazili na nečekané vlastnosti, a po dalším zkoumání odhalili důvod mimořádné odolnosti zařízení. V tradiční elektronice způsobují vysoké teploty, když atomy kovu z horní elektrody pomalu procházejí izolační vrstvou, až nakonec dosáhnou spodní elektrody a vytvoří trvalé spojení, tzn. zkrat, a zařízení zůstane v zapnutém stavu. Grafen takovéto situaci dokáže zabránit, protože jeho interakce s wolframem se podobá kontaktu oleje s vodou, kdy atomy wolframu, které se pohybují směrem k povrchu grafenu, se k němu nemohou připojit a bez stabilního bodu, kde by se mohly usadit, se vzdalují, místo aby vytvořily vodivou cestu. To zabrání vzniku zkratu a udrží zařízení v provozu i za extrémního tepla.
Tým pomocí elektronové mikroskopie, spektroskopie a simulací na kvantové úrovni potvrdil, jak proces funguje na atomové úrovni, což vědcům umožnilo identifikovat další materiály s podobnými vlastnostmi. To by mohlo usnadnit výrobu technologie ve velkém měřítku. Dva stěžejní materiály použité v zařízení – wolfram a oxid hafnia – se ve výrobě polovodičů již běžně používají. Grafen je novější, ale společnosti jako TSMC a Samsung jej aktivně zkoumají a v laboratořích se již vyrábí v měřítku destiček.
Výzkumníci nicméně upozorňují, že přes slibné dosavadní výsledky je technologie stále v rané fázi a že samotná paměť k vybudování kompletního výpočetního systému nestačí. K jejímu plnohodnotnému využití, zejména k průmyslové výrobě, je čeká ještě dlouhá cesta. Bude také nutné vyvinout a integrovat logické obvody pro vysoké teploty.
Do vesmíru i hlubin Země
Pokud se vše podaří, nabízejí se široké možnosti pro aplikace v extrémním prostředí, kde dosavadní technologie zatím nestačily. Elektronika schopná pracovat nad 500 °C je např. již dlouho cílem pro výzkum vesmíru – povrchové teploty v tomto rozsahu se vyskytují třeba na Venuši, kde mise selhávaly do značné míry proto, že jejich elektronika tyto podmínky nedokázala přežít.
Ale i na Zemi geotermální vrty vyžadují elektroniku, která může fungovat hluboko pod zemí, kde jsou teploty extrémně vysoké, intenzivnímu teplu vystavují zařízení i jaderné a fúzní systémy, ale i řada běžných aplikací, kdy by se uplatnila výrazně posílená odolnost. Čip navržený pro teploty 700 stupňů Celsia by byl extrémně spolehlivý při teplotách už nad zhruba 125 stupňů Celsia, jimž je často vystavena vnitřní elektronika automobilů.
Při ukládání paměťových dat by toto zařízení mohlo hrát důležitou roli v oblasti umělé inteligence, kde systémy obvykle spoléhají na násobení matic, což je základní matematická operace používaná v úlohách, jako je rozpoznávání obrazu a zpracování jazyka.
„Více než 92 procent výpočtů v systémech AI, jako je ChatGPT, není nic jiného než násobení matic. Tento typ zařízení to dokáže provést nejefektivnějším způsobem o řády rychleji a s nižší spotřebou energie,“ uvedl vedoucí výzkumného týmu Joshua Yang.
Josef Vališka
Foto: University of Southern California
33
