حافظه جدید که با دمای جهنم هم مشکلی نداره!🔥💾

حافظه‌ای که گرما براش خطری نداره!

شاید یه روزی بتونیم از یه حافظه کامپیوتری استفاده کنیم که تو رآکتورهای همجوشی، موتورهای جت، چاه‌های زمین‌گرمایی و سیارات داغ، دووم بیاره. اینم به لطف یه دستگاه حافظه حالت جامد جدید ممکن شده که یه تیم از مهندس‌ها با رهبری دانشگاه میشیگان ساختنش. این دستگاه جدید، برخلاف حافظه‌های سیلیکونی، می‌تونه اطلاعات رو تو دماهای خیلی زیاد، یعنی بالای ۱۱۰۰ درجه فارنهایت (۶۰۰ درجه سانتیگراد) ذخیره و دوباره‌نویسی کنه؛ دمایی که از سطح سیاره زهره هم بیشتره، چه برسه به نقطه ذوب سرب! این دستگاه با همکاری پژوهشگرهای آزمایشگاه ملی سندیا ساخته شده.

یی‌یانگ لی، استاد کمکی علم مواد و مهندسی دانشگاه میشیگان و سرپرست این پژوهش که نتایجش همین امروز تو مجله Device چاپ شده، می‌گه: “این فناوری می‌تونه دستگاه‌های الکترونیکی ای رو ممکن کنه که قبلاً، برای کار تو دماهای بالا، وجود نداشتن.” و اضافه می‌کنه: “تا الان ما یه دستگاه ساختیم که یه بیت –واحد اندازه‌گیری اطلاعات- رو نگه می‌داره، که با بقیه نمونه‌های حافظه تو دماهای بالا، برابره. اگه بیشتر روش کار کنیم و سرمایه‌گذاری بشه، میشه به‌طور نظری مگابایت یا گیگابایت داده رو هم توش ذخیره کرد.”

البته، یه محدودیتی هم هست، اونم برای دستگاه‌هایی که مدام تو دماهای خیلی زیاد کار نمی‌کنن. اطلاعات جدید فقط تو دماهای بالای ۵۰۰ درجه فارنهایت (۲۵۰ درجه سانتی‌گراد) رو دستگاه نوشته می‌شن. با این حال، پژوهشگرها پیشنهاد می‌کنن که یه هیتر می‌تونه این مشکل رو برای دستگاه‌هایی که لازم تو دماهای پایین‌تر هم کار کنن، حل کنه.

مقاومت این حافظه تو برابر حرارت، به خاطر حرکت اتم‌های اکسیژن با بار منفی به جای الکترون‌هاست. وقتی دما از ۳۰۰ درجه فارنهایت (۱۵۰ درجه سانتیگراد) می‌زنه بالا، نیمه‌رساناهای سیلیکونی شروع می‌کنن به هدایت سطح‌های کنترل‌نشده جریان. چون الکترونیک‌ها با دقت زیادی برای سطوح مشخصی از جریان ساخته می‌شن، دماهای بالا اطلاعات رو از حافظه پاک می‌کنن. اما یون‌های اکسیژن تو دستگاه این پژوهشگرها، از گرما آسیب نمی‌بینن. اونا بین دو لایه داخل حافظه – نیمه‌رسانای اکسید تانتالیوم و فلز تانتالیوم – حرکت می‌کنن. این حرکت از طریق یه الکترولیت جامد انجام می‌شه که مثل یه مانع، از حرکت بارهای دیگه بین لایه‌ها جلوگیری می‌کنه.

یون‌های اکسیژن توسط یه سری از سه الکترود پلاتینیوم هدایت می‌شن. این الکترودها کنترل می‌کنن که آیا اکسیژن جذب اکسید تانتالیوم بشه یا ازش خارج بشه. کل این فرآیند شبیه به شارژ و دشارژ باتریه؛ با این تفاوت که این فرآیند الکتروشیمیایی، به جای ذخیره انرژی، برای ذخیره اطلاعات استفاده می‌شه.

پیشرفت تو فناوری حافظه با لایه‌های تانتالیوم و اکسید تانتالیوم

وقتی اتم‌های اکسیژن از لایه اکسید تانتالیوم بیرون می‌رن، یه ناحیه کوچیک از تانتالیوم فلزی باقی می‌مونه. همزمان، یه لایه اکسید تانتالیوم هم لایه فلزی تانتالیوم رو از طرف دیگه می‌پوشونه. لایه‌های تانتالیوم و اکسید تانتالیوم با هم قاطی نمی‌شن، مثل روغن و آب. برای همین، این لایه‌های جدید تا وقتی که ولتاژ تغییر نکنه، به حالت اولشون برنمی‌گردن.

بسته به میزان اکسیژن تو اکسید تانتالیوم، این ماده می‌تونه مثل یه عایق یا هادی عمل کنه. اینجوری ماده می‌تونه بین دو حالت ولتاژی متفاوت، که نشون‌دهنده ۰ و ۱ دیجیتالی هستن، تغییر وضعیت بده. کنترل دقیق‌تر روی شیب اکسیژن می‌تونه امکان پردازش داخل حافظه رو فراهم کنه و به جای یه سیستم دوتایی ساده، بیش از ۱۰۰ حالت مقاومتی رو ارائه بده. این روش می‌تونه به کم کردن مصرف انرژی هم کمک کنه.

آلک تالین، دانشمند ارشد تو بخش شیمی، احتراق و علم مواد در آزمایشگاه ملی سندیا و یکی از نویسندگان این پژوهش می‌گه: “علاقه زیادی به این هست که از هوش مصنوعی برای بهتر کردن نظارت تو این شرایط سخت استفاده کنیم، اما اینا به تراشه‌های پردازنده قوی نیاز دارن که انرژی زیادی مصرف می‌کنن و خیلی از این شرایط سخت هم بودجه انرژی کمی دارن.” و اضافه می‌کنه: “تراشه‌های محاسباتی درون حافظه می‌تونن به پردازش بعضی از داده‌ها، قبل از رسیدنشون به تراشه‌های هوش مصنوعی کمک کنن و مصرف انرژی کلی دستگاه رو کم کنن.”

حالت‌های اطلاعاتی می‌تونن تو دماهای بالای ۱۱۰۰ درجه فارنهایت، برای بیش از ۲۴ ساعت ذخیره بشن. درسته که این سطح از تحمل حرارت با بقیه مواد توسعه‌یافته برای حافظه‌های قابل نوشتن و با دمای بالا برابره، اما دستگاه جدید مزایای دیگه‌ای هم داره. این دستگاه می‌تونه با ولتاژهای پایین‌تری نسبت به بعضی از جایگزین‌های پیشرو، مثل حافظه‌های فروالکتریک و نانوگپ‌های الکترود پلاتین چندبلوری، کار کنه و می‌تونه حالت‌های آنالوگ بیشتری رو برای محاسبات درون حافظه ارائه بده.

این پژوهش توسط بنیاد ملی علوم، برنامه تحقیقات و توسعه‌ی هدایت‌شده آزمایشگاه سندیا و دانشکده مهندسی دانشگاه میشیگان تأمین مالی شده. دستگاه تو تأسیسات نانوساخت لوری ساخته شده و تو مرکز شناسایی مواد میشیگان مورد بررسی قرار گرفته. نویسنده‌های این مقاله، بر اساس این کار، یه پتنت به اداره ثبت اختراع و علائم تجاری آمریکا دادن و دنبال شرکایی هستن تا این فناوری رو تجاری کنن.