La memoria de las computadoras algún día podría resistir las temperaturas abrasadoras de los reactores de fusión, los motores a reacción, los pozos geotérmicos y los planetas en desaceleración utilizando un nuevo dispositivo de memoria de estado sólido desarrollado por un equipo de ingenieros dirigido por la Universidad de Michigan.
A diferencia de la memoria convencional basada en silicio, el nuevo dispositivo puede almacenar y reescribir información a temperaturas superiores a 1100°F (600°C), más altas que la superficie de Venus y la temperatura de fusión del plomo. Fue desarrollado en colaboración con investigadores del Laboratorio Nacional Sandia.
“Esto podría habilitar dispositivos electrónicos que antes no existían para aplicaciones de alta temperatura”, dijo Yiyang Li, profesor asistente en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UM y autor principal correspondiente del estudio publicado hoy en la revista Cell Press.
“Hasta ahora, hemos construido un dispositivo que contiene un bit equivalente a otras pantallas de memoria de computadora de alta temperatura. Con mayor desarrollo e inversión, en teoría podría contener megabytes o gigabytes de datos”.
Sin embargo, existe una desventaja para los dispositivos que no están expuestos a temperaturas extremas todo el tiempo: solo se pueden escribir nuevos datos en dispositivos por encima de 500°F (250°C). Aún así, los investigadores sugieren que un calentador podría resolver el problema de los dispositivos que necesitan funcionar a bajas temperaturas.
La memoria tolerante al calor proviene de la eliminación de átomos de oxígeno cargados negativamente en lugar de electrones. Cuando se calientan por encima de 300°F (150°C), los semiconductores convencionales basados en silicio comienzan a conducir niveles incontrolados de corriente. Debido a que la electrónica está diseñada con precisión para ciertos niveles de corriente, las altas temperaturas pueden borrar información de la memoria de un dispositivo. Pero los iones de oxígeno dentro de los dispositivos de los investigadores no se ven afectados por el calor.
Se transfieren entre las dos capas de la memoria (el óxido de tantalio semiconductor y el tantalio metálico) a través de un electrolito sólido que actúa como una barrera contra otras cargas que se mueven entre las capas. Los iones de oxígeno son conducidos por una serie de tres electrodos de platino que controlan si el oxígeno entra o sale del óxido de tantalio. Todo el proceso es similar a cómo se carga y descarga una batería; Sin embargo, en lugar de almacenar energía, este proceso electroquímico se utiliza para almacenar información.
Una vez que los átomos de oxígeno abandonan la capa de óxido de tantalio, queda una pequeña región de tantalio metálico. Al mismo tiempo, una capa de óxido de tantalio cubre de manera similar la capa de metal de tantalio en el lado opuesto de la barrera. Las capas de tantalio y óxido de tantalio no se mezclan como el aceite y el agua, por lo que estas nuevas capas no volverán a su estado original hasta que se cambie el voltaje.
Dependiendo del contenido de oxígeno del óxido de tantalio, puede actuar como aislante o conductor, lo que permite que el material cambie entre dos estados de voltaje diferentes que representan 0 y 1 digitales. Un control preciso del gradiente de oxígeno puede permitir la computación en memoria con más de 100 estados de resistencia en lugar de un simple binario. Este método puede ayudar a reducir la demanda de electricidad.
“Hay mucho interés en usar IA para mejorar el monitoreo en estos entornos extremos, pero requieren chips de procesador robustos que funcionen con mucha energía, y muchos de estos entornos extremos también tienen presupuestos de energía ajustados”, dijo Alec Talin, un Sandia Investigador principal del Laboratorio Nacional de Química, Combustión y Ciencias de los Materiales y coautor del estudio.
“Los chips informáticos en memoria pueden ayudar a procesar algunos de esos datos antes de que lleguen a los chips de IA y reducir el consumo general de energía del dispositivo”.
El estado de los datos se puede almacenar por encima de 1100 °F durante más de 24 horas. Si bien ese nivel de tolerancia al calor es comparable al de otros materiales que se han desarrollado para memorias regrabables de alta temperatura, el nuevo dispositivo presenta otras ventajas. Puede funcionar a voltajes más bajos que algunas de las principales alternativas, como la memoria ferroeléctrica y los nanoespacios de electrodos de platino policristalinos, y proporcionar condiciones más analógicas para la computación en memoria.
La investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias, el programa de investigación y desarrollo dirigido por el laboratorio de Sandia y la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Michigan. El dispositivo fue construido en la Instalación de Nanofabricación de Lurie y estudiado en el Centro de Caracterización de Materiales de Michigan.
Los autores han presentado una patente basada en este trabajo ante la Oficina de Patentes y Marcas de EE. UU. y están buscando socios para llevar la tecnología al mercado.