Ученые Московского Политеха разработали прототип устройства памяти, которое передает и хранит информацию с помощью теплового потока вместо электрических сигналов. Технология способна работать при экстремальных температурах, высокой радиации и в агрессивных средах, где обычная электроника выходит из строя.
Тепловая память представляет собой энергозависимую память с произвольным доступом на основе системы кремний-алюминий. Информация записывается и считывается через изменение температуры металлической пленки при прохождении токовых импульсов. Университет уже собрал установку для диагностики элемента тепловой памяти с OLED-дисплеем для контроля работы устройства.
Помимо памяти, исследователи разработали тепловые аналоги диода и транзистора — базовых элементов любой электроники. Создан также прототип теплового калькулятора, который выполняет арифметические операции, преобразуя десятичные числа в двоичные термические значения.
Исследования проводятся на кафедре «Динамика, прочность машин и сопротивление материалов» совместно с научно-техническим центром «Оптоэлектроника». Руководят работой заведующий кафедрой, доктор физико-математических наук Аркадий Скворцов и начальник НТЦ «Оптоэлектроника» Владимир Николаев.
Технология основана на эффекте тепловой памяти в системах металлизации — важнейшем элементе микро- и наноэлектроники. Ученые используют тестовые структуры из металлической пленки на полупроводниковой подложке, через которые пропускают импульсы тока. При этом фиксируют распределение и изменение температуры на поверхности структуры.
«Тепловая память и другие элементы термотроники открывают возможность создания новых логических и управляющих систем. Главное преимущество — они способны работать при высоких температурах, в агрессивных средах и при сильной радиации, где традиционная электроника быстро выходит из строя», — отмечает Аркадий Скворцов.
Тепловые сигналы обладают важным преимуществом — на них не влияют электромагнитные излучения и радиопомехи. Тепловое излучение может передавать сигнал через различные среды, включая диэлектрики, вакуум или тонкие пленки, что важно для микро- и наноэлектроники.
Однако технология сталкивается с серьезными ограничениями. Тепловой поток распространяется значительно медленнее электрического сигнала, что снижает быстродействие устройств. Сложно управлять направлением теплового потока, поскольку тепло распространяется во все стороны. Кроме того, для поддержания и передачи теплового сигнала требуется больше энергии, чем для электрического сигнала с той же информационной емкостью.
Для решения проблемы привязки к конкретной температуре и низкой частоты переключения исследователи разработали алгоритм «плавающего» нуля, который позволяет устройству приспосабливаться к меняющимся температурным условиям.
Сложность встраивания тепловых каналов в современные микросхемы из-за масштабных ограничений и необходимой теплоизоляции пока ограничивает широкое применение таких систем. Тем не менее, разработка тепловых диодов, транзисторов и структур памяти стимулирует развитие новых технологических решений в термоэлектронике и нанотехнологиях.
Фото: Shutterstock
