حافظه رایانه‌ای با کارکرد در دمای بالای 1000 درجه!

حافظه کامپیوتری مقاوم در برابر دماهای بالا

حافظه کامپیوتری ممکن است روزی بتواند دماهای شدید در راکتورهای همجوشی، موتورهای جت، چاه‌های زمین‌گرمایی و سیارات داغ را تحمل کند. این امکان به لطف یک دستگاه حافظه حالت جامد جدید است که توسط تیمی از مهندسان به رهبری دانشگاه میشیگان توسعه یافته است. برخلاف حافظه‌های مبتنی بر سیلیکون، این دستگاه جدید می‌تواند اطلاعات را در دماهای بالای ۱۱۰۰ درجه فارنهایت (۶۰۰ درجه سانتی‌گراد) ذخیره و بازنویسی کند؛ دماهایی که از سطح سیاره زهره و دمای ذوب سرب نیز بیشتر است. این دستگاه در همکاری با محققان آزمایشگاه ملی سندیا توسعه یافته است.

یی‌یانگ لی، استاد کمکی علم مواد و مهندسی دانشگاه میشیگان و نویسنده ارشد این مطالعه که امروز در نشریه Device منتشر شده است، گفت: “این فناوری می‌تواند به ایجاد دستگاه‌های الکترونیکی منجر شود که پیش از این برای کاربردهای دما بالا وجود نداشتند.” او افزود: “تا کنون، ما دستگاهی ساخته‌ایم که یک بیت اطلاعات را نگه می‌دارد، که با دیگر نمونه‌های حافظه کامپیوتری با دما بالا برابر است. با توسعه و سرمایه‌گذاری بیشتر، به‌طور نظری می‌تواند مگابایت یا گیگابایت داده را ذخیره کند.”

با این حال، برای دستگاه‌هایی که در دماهای شدید به‌طور مداوم کار نمی‌کنند، یک محدودیت وجود دارد: اطلاعات جدید تنها در دماهای بالای ۵۰۰ درجه فارنهایت (۲۵۰ درجه سانتی‌گراد) می‌توانند روی دستگاه نوشته شوند. با این وجود، محققان پیشنهاد می‌کنند که یک هیتر می‌تواند این مشکل را برای دستگاه‌هایی که باید در دماهای پایین‌تر نیز کار کنند، حل کند.

حافظه مقاوم در برابر حرارت به دلیل حرکت اتم‌های اکسیژن با بار منفی به جای الکترون‌ها ایجاد می‌شود. وقتی دما به بالای ۳۰۰ درجه فارنهایت (۱۵۰ درجه سانتی‌گراد) می‌رود، نیمه‌رساناهای مبتنی بر سیلیکون شروع به هدایت سطوح غیرقابل کنترل جریان می‌کنند. از آنجا که الکترونیک به‌طور دقیق برای سطوح خاصی از جریان ساخته می‌شوند، دماهای بالا می‌توانند اطلاعات را از حافظه دستگاه پاک کنند. اما یون‌های اکسیژن در دستگاه محققان تحت تأثیر حرارت قرار نمی‌گیرند. آن‌ها بین دو لایه در حافظه — نیمه‌رسانای اکسید تانتالیوم و فلز تانتالیوم — از طریق یک الکترولیت جامد که به‌عنوان یک مانع عمل می‌کند و از حرکت بارهای دیگر بین لایه‌ها جلوگیری می‌کند، حرکت می‌کنند.

یون‌های اکسیژن توسط یک سری از سه الکترود پلاتینیوم هدایت می‌شوند که کنترل می‌کند آیا اکسیژن به اکسید تانتالیوم جذب شود یا از آن خارج گردد. کل این فرآیند مشابه نحوه شارژ و دشارژ یک باتری است؛ با این حال، به جای ذخیره انرژی، این فرآیند الکتروشیمیایی برای ذخیره اطلاعات استفاده می‌شود.

توسعه فناوری حافظه با استفاده از لایه‌های تانتالیوم و اکسید تانتالیوم

زمانی که اتم‌های اکسیژن از لایه اکسید تانتالیوم خارج می‌شوند، یک ناحیه کوچک از تانتالیوم فلزی باقی می‌ماند. در عین حال، یک لایه اکسید تانتالیوم نیز لایه فلزی تانتالیوم را از سمت دیگر پوشش می‌دهد. لایه‌های تانتالیوم و اکسید تانتالیوم با یکدیگر ترکیب نمی‌شوند، مشابه روغن و آب، بنابراین این لایه‌های جدید تا زمانی که ولتاژ تغییر نکند، به حالت اولیه خود بازنمی‌گردند.

بسته به محتوای اکسیژن در اکسید تانتالیوم، این ماده می‌تواند به عنوان یک عایق یا هادی عمل کند، که این امکان را فراهم می‌آورد تا ماده بین دو حالت ولتاژی مختلف که نمایانگر ۰ و ۱ دیجیتال هستند، تغییر وضعیت دهد. کنترل دقیق‌تر بر روی گرادیان اکسیژن می‌تواند امکان پردازش درون حافظه را فراهم کند و به جای یک سیستم دوتایی ساده، بیش از ۱۰۰ حالت مقاومت را ارائه دهد. این رویکرد می‌تواند به کاهش نیاز به انرژی کمک کند.

آلک تالین، دانشمند ارشد در بخش شیمی، احتراق و علم مواد در آزمایشگاه ملی سندیا و یکی از نویسندگان این مطالعه، گفت: “علاقه زیادی به استفاده از هوش مصنوعی برای بهبود نظارت در این شرایط شدید وجود دارد، اما آنها به چیپ‌های پردازنده قوی نیاز دارند که انرژی زیادی مصرف می‌کنند و بسیاری از این شرایط شدید نیز دارای بودجه‌های سخت‌گیرانه انرژی هستند.” او افزود: “چیپ‌های محاسباتی درون حافظه می‌توانند به پردازش برخی از داده‌ها قبل از رسیدن به چیپ‌های هوش مصنوعی کمک کنند و مصرف انرژی کلی دستگاه را کاهش دهند.”

حالت‌های اطلاعاتی می‌توانند در دماهای بالای ۱۱۰۰ درجه فارنهایت برای بیش از ۲۴ ساعت ذخیره شوند. در حالی که این سطح از تحمل حرارتی با سایر مواد توسعه‌یافته برای حافظه‌های قابل نوشتن و با دمای بالا قابل مقایسه است، دستگاه جدید مزایای دیگری نیز دارد. این دستگاه می‌تواند در ولتاژهای پایین‌تری نسبت به برخی از جایگزین‌های پیشرو، مانند حافظه‌های فروالکتریک و نانوگپ‌های الکترود پلاتین چندبلوری، کار کند و می‌تواند حالت‌های آنالوگ بیشتری را برای محاسبات درون حافظه ارائه دهد.

این تحقیق توسط بنیاد ملی علوم، برنامه تحقیقات و توسعه هدایت‌شده آزمایشگاه سندیا و دانشکده مهندسی دانشگاه میشیگان تأمین مالی شده است. دستگاه در تأسیسات نانو‌ساخت لوری ساخته شده و در مرکز شناسایی مواد میشیگان مورد مطالعه قرار گرفته است. نویسندگان این مقاله بر اساس این کار، پتنتی را به دفتر ثبت اختراعات و علائم تجاری ایالات متحده ارائه داده و به دنبال شرکایی برای تجاری‌سازی این فناوری هستند.