Kosmiskās aģentūras jau sen sapņo par elektroniku, kas spēj darboties Veneras apstākļos.
Parasti elektronika telefonā, automašīnā vai kosmiskajā satelītā darbojas līdz brīdim, kad tās temperatūra kļūst kritiski augsta. Apmēram pēc 200 °C ierastās silīcija shēmas pārstāj darboties. Šo robežu gadu desmitiem uzskatīja par gandrīz nepārvaramu. Tomēr Dienvidkalifornijas universitātes inženieri, šķiet, ir atraduši veidu, kā šo ierobežojumu apiet.
Viņi izveidoja memristoru, kas turpina darboties nevainojami pie 700 °C — tas ir karstāks nekā izkausēta lava. Un, pēc pieejamiem datiem, tas neesot attīstības gals, bet drīzāk viņu mēraparāta robeža.
Pētījums publicēts žurnālā Science, to vadīja profesors Džošua Jangs. Ierīce uzbūvēta kā nanoizmēra sendvičs. Augšējā slānī ir volframs — metāls ar augstāko kušanas temperatūru, vidū atrodas hafnija oksīda keramika, bet apakšā — grafēna slānis viena atoma biezumā. Šādā konfigurācijā atmiņa saglabā datus vairāk nekā piecdesmit stundas pie 700 °C bez atjaunošanas, iztur vairāk nekā miljardu pārrakstīšanas ciklu un darbojas pie sprieguma tikai 1,5 voltiem ar ātrumu desmitiem nanosekunžu.
Visinteresantāk, ka šāds rezultāts radās nejauši. Sākotnēji Janga grupa mēģināja ar grafēnu īstenot citu ideju. Tā neizdevās, bet atklājās kaut kas negaidīts. Parastie memristori uz platīna un hafnija oksīda bāzes siltumā bojājas tāpēc, ka volframa atomi sāk migrēt cauri keramikas slānim, līdz sasniedz apakšējo elektrodu un īssavieno ierīci. Jaunajā konstrukcijā grafēns aptur šo migrāciju. Virsmas mijiedarbība starp grafēnu un volframu izrādījās tik vāja, ka volframa atomiem nav, pie kā piesieties. Tie nespēj izveidot nepārtrauktu vadītspējīgu tiltu, tāpēc īssavienojums nenotiek.
Lai pārliecinātos par mehānismu, komanda izmantoja transmisijas elektronu mikroskopiju, spektroskopiju un kvantu modelēšanu. Izrādījās, ka grafēna–volframa saskares zonā atomi uzvedas citādi nekā uz ierastajiem metālisko elektrodiem. Tur virsmas difūzijas barjeras ir augstākas, un adsorbcija ir vājāka.
Zinot šo principu, tagad var meklēt citus materiālus ar līdzīgu virsmas ķīmiju, kas perspektīvā atvieglotu rūpniecisku ražošanu.
Šādai termiski noturīgai atmiņai ir vairāki potenciālie pielietojumi. Kosmiskās aģentūras jau sen sapņo par elektroniku, kas spēj darboties pie Veneras virsmas temperatūrām, kur pat vislabāk aizsargātie zondi iziet no ierindas. Ģeotermālā enerģētika prasa sensorus, kas var nokļūt dziļos urbumos, kur valdīs ekstrēmas temperatūras. Kodolenerģijas un termonukleārās iekārtas arī stipri sakarsē vadības aparatūru. Savukārt automašīnu elektronikai, kas paredzēta maksimāliem 125 °C, čips, kas saglabā darbspēju pie 700 °C, būtu praktiski neiznīcināms.
Ierīce īpaši interesē mākslīgā intelekta kontekstā. Memristori spēj veikt neironu tīklu galveno operāciju — matricu reizināšanu — nevis kā parasti digitālie procesori, kas skaitļus apstrādā soli pa solim, bet fiziski, pēc Oma likuma. Spriegums, reizināts ar vadītspēju, rada strāvu, un šī strāva jau ir aprēķina rezultāts. Džošua Jangs skaidro, ka vairāk nekā 92 % aprēķinu slodzes tādām sistēmām kā ChatGPT veido tieši matricu reizināšana. Tātad šādi čipi var veikt šo uzdevumu daudz ātrāk un ar ievērojami zemāku enerģijas patēriņu.
Trīs raksta līdzautori kopā ar Jangu jau dibinājuši startapu TetraMem, kas nodarbojas ar memristoru mikroshēmu komercializāciju mākslīgā intelekta lietojumiem istabas temperatūrā. Laboratorijā jau ir darbojoši čipi, ko studenti izmanto mašīnmācīšanās uzdevumiem. Augstas temperatūras versija varētu paplašināt šo tehnoloģiju uz vidēm, kur parastā elektronika neizdzīvo.
Protams, līdz gatavam produktam vēl tāls ceļš. Atmiņa pati par sevi nepārvērš datoru pilnvērtīgu — nepieciešamas arī augstas temperatūras loģiskās shēmas, turklāt pašreizējās ierīces ir manuāli montētas laboratorijā submikronu mērogā. Tehnoloģijas nonākšana tirgū prasīs laiku, bet izmantotais volframs un hafnija oksīds jau ilgi tiek lietoti pusvadītāju rūpniecībā, un, lai gan grafēns nozarei ir relatīvi jauns, TSMC un Samsung iekļāvuši to savās attīstības kartēs un jau iemācījušies to audzēt uz silīcija plāksnēm.
Pats Jangs to sauc par pirmo soli. Pēc viņa teiktā, trūkstošais komponents tagad ir radīts, tātad iespēja pastāv. Atliek vien pārvērst to reālās ierīcēs, kas spēs darboties tur, kur agrāk elektronika vienkārši izkusa.
<iframe width="474" height="843" src="https://www.youtube.com/embed/Qypy-JvaYgI" title="Гибкие волоконные чипы из Шанхайского университета Фудань" frameborder="0" allow="accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture; web-share" referrerpolicy="strict-origin-when-cross-origin" allowfullscreen></iframe>
