 |
| Πρόκειται για μια συσκευή μνήμης που μπορεί να λειτουργεί κανονικά σε θερμοκρασίες εκατοντάδων βαθμών Κελσίου. |
Ένα τσιπάκι που αντέχει θερμοκρασίες που φτάνουν τους 700 βαθμούς Κελσίου θα μπορούσε να φέρει επανάσταση τόσο στις τεχνολογίες ακραίων συνθηκών όσο και στην τεχνητή νοημοσύνη.
Από τα smartphones μέχρι τους δορυφόρους, όλα τα σύγχρονα ηλεκτρονικά συστήματα αντιμετωπίζουν τον ίδιο περιορισμό: τη θερμότητα. Όταν οι θερμοκρασίες ξεπεράσουν περίπου τους 200 βαθμούς Κελσίου η απόδοση αρχίζει να υποβαθμίζεται και σύντομα ακολουθεί η αστοχία. Οι μηχανικοί προσπαθούν εδώ και δεκαετίες να ξεπεράσουν αυτό το όριο με περιορισμένη επιτυχία.
Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Καλιφόρνιας πιστεύουν ότι έκαναν ένα σημαντικό βήμα μπροστά. Σε μελέτη που δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «Science» οι ερευνητές παρουσιάζουν μια νέα συσκευή μνήμης που συνεχίζει να λειτουργεί στους 700 βαθμούς Κελσίου.
Αυτή η θερμοκρασία είναι υψηλότερη από τη λάβα και πολύ πέρα από τα όρια των υπαρχουσών τεχνολογιών. Η συσκευή δεν έδειξε σημάδια αστοχίας κατά τις δοκιμές. Στην πραγματικότητα οι 700 βαθμοί Κελσίου ήταν απλώς το μέγιστο όριο που μπορούσε να μετρήσει ο εξοπλισμός.
«Μπορείτε να το ονομάσετε επανάσταση. Είναι η καλύτερη μνήμη υψηλής θερμοκρασίας που έχει επιδειχθεί ποτέ» αναφέρουν οι ερευνητές.
Ένας θερμοανθεκτικός σχεδιασμός memristor
Η νέα τεχνολογία είναι ένα memristor, ένα εξάρτημα νανοκλίμακας που μπορεί τόσο να αποθηκεύει πληροφορίες όσο και να εκτελεί υπολογισμούς. Δομικά μοιάζει με μια μικρή στοίβα στρωμάτων με δύο ηλεκτρόδια και ένα λεπτό κεραμικό ενδιάμεσο στρώμα.
Οι ερευνητές κατασκεύασαν τη συσκευή χρησιμοποιώντας βολφράμιο ως άνω ηλεκτρόδιο, οξείδιο του αφνίου ως μονωτικό στρώμα και γραφένιο στο κάτω μέρος. Το βολφράμιο έχει το υψηλότερο σημείο τήξης από όλα τα μέταλλα ενώ το γραφένιο, ένα φύλλο άνθρακα πάχους ενός ατόμου και είναι εξαιρετικά ανθεκτικό και σταθερό στη θερμότητα.
Ο συνδυασμός αυτός έδωσε εντυπωσιακά αποτελέσματα. Η συσκευή διατήρησε δεδομένα για περισσότερες από 50 ώρες στους 700 βαθμούς Κελσίου χωρίς ανανέωση. Επίσης άντεξε πάνω από ένα δισεκατομμύριο κύκλους μεταγωγής σε αυτή τη θερμοκρασία και λειτούργησε με μόλις 1,5 volt και ταχύτητες της τάξης των δεκάδων νανοδευτερολέπτων.
Μια ανακάλυψη που έγινε τυχαία
Η πρόοδος αυτή δεν ήταν ο αρχικός στόχος της ομάδας. Οι ερευνητές δούλευαν πάνω σε έναν διαφορετικό σχεδιασμό με γραφένιο που δεν απέδωσε όπως αναμενόταν. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας εντόπισαν κάτι απρόσμενο.
«Για να είμαι ειλικρινής, έγινε κατά λάθος, όπως συμβαίνει συχνά με τις ανακαλύψεις. Αν μπορείς να το προβλέψεις, συνήθως δεν είναι κάτι πραγματικά σημαντικό» αναφέρει ο Τζόσουα Γιανγκ, επικεφαλής της ερευνητής ομάδας.
Μετά από περαιτέρω έρευνα, εξήγησαν γιατί η συσκευή είναι τόσο ανθεκτική. Σε συμβατικά ηλεκτρονικά, οι υψηλές θερμοκρασίες κάνουν άτομα μετάλλου από το άνω ηλεκτρόδιο να μετακινούνται μέσα από το μονωτικό στρώμα, μέχρι να φτάσουν στο κάτω ηλεκτρόδιο και να δημιουργήσουν βραχυκύκλωμα.
Το γραφένιο εμποδίζει αυτή τη διαδικασία. Η αλληλεπίδρασή του με το βολφράμιο μοιάζει, όπως το περιέγραψε ο Γιανγκ με λάδι και νερό. Τα άτομα του βολφραμίου δεν μπορούν να προσκολληθούν στην επιφάνεια του γραφενίου και έτσι δεν σχηματίζουν αγώγιμη διαδρομή. Αυτό αποτρέπει το βραχυκύκλωμα και επιτρέπει στη συσκευή να λειτουργεί σε ακραίες θερμοκρασίες.
Με ηλεκτρονική μικροσκοπία, φασματοσκοπία και κβαντικές προσομοιώσεις, η ομάδα επιβεβαίωσε τον μηχανισμό σε ατομικό επίπεδο. Αυτή η κατανόηση μπορεί να βοηθήσει στην αναζήτηση παρόμοιων υλικών για ευκολότερη μαζική παραγωγή.
Εφαρμογές σε ακραία περιβάλλοντα
Ηλεκτρονικά συστήματα που λειτουργούν πάνω από 500 βαθμούς Κελσίου αποτελούν εδώ και καιρό στόχο για την εξερεύνηση του Διαστήματος. Για παράδειγμα η Αφροδίτη έχει επιφανειακές θερμοκρασίες σε αυτό το εύρος και προηγούμενες αποστολές απέτυχαν επειδή τα συμβατικά ηλεκτρονικά δεν άντεξαν τη θερμότητα.
«Τώρα είμαστε πάνω από 700 βαθμούς Κελσίου και υποψιαζόμαστε ότι μπορεί να πάει ακόμη πιο ψηλά», λέει ο Γιανγκ.
Οι πιθανές χρήσεις δεν περιορίζονται στο Διάστημα. Η γεωθερμική γεώτρηση, τα πυρηνικά και τα συστήματα σύντηξης απαιτούν ηλεκτρονικά που λειτουργούν σε ακραίες θερμοκρασίες. Ακόμη και σε καθημερινές εφαρμογές, η ανθεκτικότητα θα βελτιωνόταν σημαντικά καθώς τέτοιες συσκευές θα ήταν εξαιρετικά αξιόπιστες ακόμη και σε θερμοκρασίες αυτοκινήτου που φτάνουν περίπου τους 125 βαθμούς Κελσίου.
Η τεχνητή νοημοσύνη
Εκτός από τη μνήμη η συσκευή μπορεί να παίξει σημαντικό ρόλο στην τεχνητή νοημοσύνη. Πολλά συστήματα AI βασίζονται σε πράξεις πολλαπλασιασμού πινάκων, οι οποίες σε κλασικούς υπολογιστές εκτελούνται βήμα-βήμα και καταναλώνουν μεγάλη ενέργεια.
Τα memristors λειτουργούν διαφορετικά. Χρησιμοποιώντας τον νόμο του Ohm, εκτελούν υπολογισμούς απευθείας μέσω της ροής ρεύματος και δίνουν το αποτέλεσμα στιγμιαία.
«Πάνω από το 92% των υπολογισμών σε συστήματα όπως το ChatGPT είναι απλός πολλαπλασιασμός πινάκων. Αυτή η τεχνολογία μπορεί να το κάνει πιο αποδοτικά, τάξεις μεγέθους πιο γρήγορα και με πολύ λιγότερη ενέργεια» εξηγεί ο Γιανγκ με μαζί με συναδέλφους του έχουν ήδη ιδρύσει την εταιρεία TetraMem για την εμπορική αξιοποίηση της τεχνολογίας.
Προκλήσεις πριν την πραγματική χρήση
Παρά τα εντυπωσιακά αποτελέσματα, η τεχνολογία βρίσκεται ακόμη σε αρχικό στάδιο. Απαιτούνται επίσης λογικά κυκλώματα υψηλής θερμοκρασίας και μαζική παραγωγή, καθώς οι τρέχουσες συσκευές κατασκευάζονται χειροκίνητα σε εργαστηριακή κλίμακα. Ωστόσο, τα βασικά υλικά (βολφράμιο και οξείδιο του αφνίου) χρησιμοποιούνται ήδη στη βιομηχανία ημιαγωγών, ενώ το γραφένιο βρίσκεται σε φάση ταχείας ανάπτυξης.
Η έρευνα έγινε στο πλαίσιο του CONCRETE Center, με συνεργασίες από πολλά πανεπιστήμια και ερευνητικά εργαστήρια της Πολεμικής Αεροπορίας των ΗΠΑ. Για τον Γιανγκ η σημασία της δουλειάς ξεπερνά τη συγκεκριμένη συσκευή: «Η εξερεύνηση του διαστήματος δεν ήταν ποτέ τόσο πραγματική, τόσο κοντά και σε τόσο μεγάλη κλίμακα. Αυτή η εργασία είναι ένα κρίσιμο άλμα προς ένα πολύ πιο συναρπαστικό μέλλον»
«Μπορείτε να το ονομάσετε επανάσταση. Είναι η καλύτερη μνήμη υψηλής θερμοκρασίας που έχει επιδειχθεί ποτέ» αναφέρουν οι ερευνητές.
Ένας θερμοανθεκτικός σχεδιασμός memristor
Η νέα τεχνολογία είναι ένα memristor, ένα εξάρτημα νανοκλίμακας που μπορεί τόσο να αποθηκεύει πληροφορίες όσο και να εκτελεί υπολογισμούς. Δομικά μοιάζει με μια μικρή στοίβα στρωμάτων με δύο ηλεκτρόδια και ένα λεπτό κεραμικό ενδιάμεσο στρώμα.
Οι ερευνητές κατασκεύασαν τη συσκευή χρησιμοποιώντας βολφράμιο ως άνω ηλεκτρόδιο, οξείδιο του αφνίου ως μονωτικό στρώμα και γραφένιο στο κάτω μέρος. Το βολφράμιο έχει το υψηλότερο σημείο τήξης από όλα τα μέταλλα ενώ το γραφένιο, ένα φύλλο άνθρακα πάχους ενός ατόμου και είναι εξαιρετικά ανθεκτικό και σταθερό στη θερμότητα.
Ο συνδυασμός αυτός έδωσε εντυπωσιακά αποτελέσματα. Η συσκευή διατήρησε δεδομένα για περισσότερες από 50 ώρες στους 700 βαθμούς Κελσίου χωρίς ανανέωση. Επίσης άντεξε πάνω από ένα δισεκατομμύριο κύκλους μεταγωγής σε αυτή τη θερμοκρασία και λειτούργησε με μόλις 1,5 volt και ταχύτητες της τάξης των δεκάδων νανοδευτερολέπτων.
Μια ανακάλυψη που έγινε τυχαία
Η πρόοδος αυτή δεν ήταν ο αρχικός στόχος της ομάδας. Οι ερευνητές δούλευαν πάνω σε έναν διαφορετικό σχεδιασμό με γραφένιο που δεν απέδωσε όπως αναμενόταν. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας εντόπισαν κάτι απρόσμενο.
«Για να είμαι ειλικρινής, έγινε κατά λάθος, όπως συμβαίνει συχνά με τις ανακαλύψεις. Αν μπορείς να το προβλέψεις, συνήθως δεν είναι κάτι πραγματικά σημαντικό» αναφέρει ο Τζόσουα Γιανγκ, επικεφαλής της ερευνητής ομάδας.
Μετά από περαιτέρω έρευνα, εξήγησαν γιατί η συσκευή είναι τόσο ανθεκτική. Σε συμβατικά ηλεκτρονικά, οι υψηλές θερμοκρασίες κάνουν άτομα μετάλλου από το άνω ηλεκτρόδιο να μετακινούνται μέσα από το μονωτικό στρώμα, μέχρι να φτάσουν στο κάτω ηλεκτρόδιο και να δημιουργήσουν βραχυκύκλωμα.
Το γραφένιο εμποδίζει αυτή τη διαδικασία. Η αλληλεπίδρασή του με το βολφράμιο μοιάζει, όπως το περιέγραψε ο Γιανγκ με λάδι και νερό. Τα άτομα του βολφραμίου δεν μπορούν να προσκολληθούν στην επιφάνεια του γραφενίου και έτσι δεν σχηματίζουν αγώγιμη διαδρομή. Αυτό αποτρέπει το βραχυκύκλωμα και επιτρέπει στη συσκευή να λειτουργεί σε ακραίες θερμοκρασίες.
Με ηλεκτρονική μικροσκοπία, φασματοσκοπία και κβαντικές προσομοιώσεις, η ομάδα επιβεβαίωσε τον μηχανισμό σε ατομικό επίπεδο. Αυτή η κατανόηση μπορεί να βοηθήσει στην αναζήτηση παρόμοιων υλικών για ευκολότερη μαζική παραγωγή.
Εφαρμογές σε ακραία περιβάλλοντα
Ηλεκτρονικά συστήματα που λειτουργούν πάνω από 500 βαθμούς Κελσίου αποτελούν εδώ και καιρό στόχο για την εξερεύνηση του Διαστήματος. Για παράδειγμα η Αφροδίτη έχει επιφανειακές θερμοκρασίες σε αυτό το εύρος και προηγούμενες αποστολές απέτυχαν επειδή τα συμβατικά ηλεκτρονικά δεν άντεξαν τη θερμότητα.
«Τώρα είμαστε πάνω από 700 βαθμούς Κελσίου και υποψιαζόμαστε ότι μπορεί να πάει ακόμη πιο ψηλά», λέει ο Γιανγκ.
Οι πιθανές χρήσεις δεν περιορίζονται στο Διάστημα. Η γεωθερμική γεώτρηση, τα πυρηνικά και τα συστήματα σύντηξης απαιτούν ηλεκτρονικά που λειτουργούν σε ακραίες θερμοκρασίες. Ακόμη και σε καθημερινές εφαρμογές, η ανθεκτικότητα θα βελτιωνόταν σημαντικά καθώς τέτοιες συσκευές θα ήταν εξαιρετικά αξιόπιστες ακόμη και σε θερμοκρασίες αυτοκινήτου που φτάνουν περίπου τους 125 βαθμούς Κελσίου.
Η τεχνητή νοημοσύνη
Εκτός από τη μνήμη η συσκευή μπορεί να παίξει σημαντικό ρόλο στην τεχνητή νοημοσύνη. Πολλά συστήματα AI βασίζονται σε πράξεις πολλαπλασιασμού πινάκων, οι οποίες σε κλασικούς υπολογιστές εκτελούνται βήμα-βήμα και καταναλώνουν μεγάλη ενέργεια.
Τα memristors λειτουργούν διαφορετικά. Χρησιμοποιώντας τον νόμο του Ohm, εκτελούν υπολογισμούς απευθείας μέσω της ροής ρεύματος και δίνουν το αποτέλεσμα στιγμιαία.
«Πάνω από το 92% των υπολογισμών σε συστήματα όπως το ChatGPT είναι απλός πολλαπλασιασμός πινάκων. Αυτή η τεχνολογία μπορεί να το κάνει πιο αποδοτικά, τάξεις μεγέθους πιο γρήγορα και με πολύ λιγότερη ενέργεια» εξηγεί ο Γιανγκ με μαζί με συναδέλφους του έχουν ήδη ιδρύσει την εταιρεία TetraMem για την εμπορική αξιοποίηση της τεχνολογίας.
Προκλήσεις πριν την πραγματική χρήση
Παρά τα εντυπωσιακά αποτελέσματα, η τεχνολογία βρίσκεται ακόμη σε αρχικό στάδιο. Απαιτούνται επίσης λογικά κυκλώματα υψηλής θερμοκρασίας και μαζική παραγωγή, καθώς οι τρέχουσες συσκευές κατασκευάζονται χειροκίνητα σε εργαστηριακή κλίμακα. Ωστόσο, τα βασικά υλικά (βολφράμιο και οξείδιο του αφνίου) χρησιμοποιούνται ήδη στη βιομηχανία ημιαγωγών, ενώ το γραφένιο βρίσκεται σε φάση ταχείας ανάπτυξης.
Η έρευνα έγινε στο πλαίσιο του CONCRETE Center, με συνεργασίες από πολλά πανεπιστήμια και ερευνητικά εργαστήρια της Πολεμικής Αεροπορίας των ΗΠΑ. Για τον Γιανγκ η σημασία της δουλειάς ξεπερνά τη συγκεκριμένη συσκευή: «Η εξερεύνηση του διαστήματος δεν ήταν ποτέ τόσο πραγματική, τόσο κοντά και σε τόσο μεγάλη κλίμακα. Αυτή η εργασία είναι ένα κρίσιμο άλμα προς ένα πολύ πιο συναρπαστικό μέλλον»
