Новое вычислительное хранилище, способное работать при высоких температурах, при которых плавятся даже горные породы, может проложить путь к компьютерам, работающим в самых суровых условиях на Земле — и, впервые, на Венере.
Самые надёжные устройства энергонезависимой памяти (NVM), в том числе твердотельные накопители (SSD), выходят из строя, как только температура достигает 572 градусов по Фаренгейту (300 градусов по Цельсию). Но учёные создали и протестировали новый сегнетоэлектрический диод (полупроводниковое переключающее устройство), который продолжал работать часами, даже когда они увеличили температуру до 1112 градусов по Фаренгейту (600 °С).
Это означает, что датчики и вычислительные устройства, использующие диод, могут быть помещены в экстремальные условия, такие как атомные электростанции, глубокие месторождения нефти и газа или самая горячая планета нашей Солнечной системы — где ранее они вышли бы из строя в течение нескольких секунд.
Устройство NVM, описанное в статье, опубликованной 29 апреля в журнале Nature Electronics, изготовлено с использованием материала под названием сегнетоэлектрический нитрид алюминия-скандия (AlScN). Он находится на переднем крае материаловедения и появился в качестве опции для высокопроизводительных полупроводников только в последние 5 лет.
Как и в случае с любой молекулой, ключевым моментом является соотношение атомов. В основе устройства лежит диод AlScN толщиной 45 нанометров — в 1800 раз меньше ширины человеческого волоса.
«Если оно слишком тонкое, повышенная активность может привести к диффузии и деградации материала, — сказал Дхирен Прадхан (Dhiren Pradhan), постдокторант кафедры электротехники и системной инженерии Пенсильванского университета, в заявлении. — Если слишком толстое, то теряется ферроэлектрическое переключение, которое мы искали, так как напряжение переключения масштабируется с толщиной и имеет ограничение в реальных условиях эксплуатации. Поэтому моя лаборатория и лаборатория Роя Олссона работали вместе несколько месяцев, чтобы найти эту оптимальную толщину.»
Одним из самых заметных достижений команды является то, что устройства смогли выдержать миллион циклов чтения и сохранить стабильное соотношение включения и выключения более шести часов. В статье команда описала этот результат как «беспрецедентный».
Работа основывается на существующих исследованиях полупроводников, которые могут работать при экстремальных температурах. Добавьте эту память к процессору, и у вас получится компьютер, который может работать практически в любом месте, отметили учёные.
«От глубокого бурения до космических исследований, наши устройства памяти, устойчивые к высоким температурам, могут привести к передовым вычислительным технологиям там, где другие электроника и устройства памяти выйдут из строя, — объяснил Дип Джаривала (Deep Jariwala), доцент кафедры электротехники и системной инженерии Пенсильванского университета, в заявлении. — Речь идёт не только о совершенствовании устройств; это о создании новых рубежей в науке и технике.»
В частности, учёные отметили в своей статье, что может наступить новая эра вычислительных устройств без использования кремния, которые интегрируют память и обработку данных ближе друг к другу для выполнения задач, требующих больших объёмов данных, таких как искусственный интеллект (ИИ).
«Обычным устройствам, использующим небольшие кремниевые транзисторы, трудно работать в условиях высоких температур», — добавил Джаривала.
Вот почему в настоящее время используется технология карбида кремния, но она намного медленнее, чем природный кремний, с точки зрения вычислительной мощности, а вычисления с большим объёмом данных в настоящее время не могут выполняться в суровых условиях.
Однако учёные полагают, что новый подход — объединение термостойкой памяти и процессора в сверхплотный корпус — может, наконец, привести к созданию искусственного интеллекта, работающего в экстремальных условиях на других планетах.
