Специалисты Университета Южной Калифорнии под руководством Джошуа Янга нашли способ преодолеть это ограничение и создали устройство памяти, которое продолжает работать при 700 градусах Цельсия — температуре, которая горячее расплавленной лавы. Новый мемристор способен не только хранить данные, но и выполнять вычисления в экстремальных условиях. «Можно назвать это революцией, — говорит Янг. — Это лучшая высокотемпературная память из когда-либо продемонстрированных».
Мемристор представляет собой наноразмерную многослойную структуру с двумя электродами и тонким керамическим слоем между ними. Соавтор разработки Цзянь Чжао создал устройство, используя вольфрам для верхнего электрода, оксид гафния в середине и графен для нижнего слоя. Вольфрам обладает самой высокой температурой плавления среди всех элементов, а графен — материал из одного слоя атомов углерода — известен исключительной прочностью и термостойкостью.
Устройство сохраняло данные более 50 часов при 700 градусах без необходимости обновления, выдержало более миллиарда циклов переключения при этой температуре и работало при напряжении всего 1,5 вольта со скоростью в десятки наносекунд. Примечательно, что 700 °С — это максимальная температура, которую позволяло проверить оборудование, но не предел самого устройства.
Интересно, что ученые изначально пытались создать другое устройство на основе графена, но обнаружили его неожиданную устойчивость к экстремально высокой температуре. «Честно говоря, это открытие было случайным, как и большинство открытий, — признается Янг. — Если вы можете что-то предсказать, это обычно не удивительно и, вероятно, недостаточно значимо».
Секрет кроется в уникальном взаимодействии материалов. В обычной электронике при нагреве атомы металла из верхнего электрода мигрируют через керамический слой к нижнему электроду, создавая постоянное соединение, которое замыкает устройство. Графен предотвращает этот процесс: его взаимодействие с вольфрамом, как метко описал его Янг, похоже на взаимодействие масла и воды. Атомы вольфрама не могут прикрепиться к поверхности графена и просто отталкиваются от него, не образуя проводящих мостиков.
Потенциальный спектр применения нового мемристора впечатляет. Электроника, способная работать выше 500 °С, давно является целью космических исследований. Например, температура поверхности Венеры составляет около 470 °С, из-за чего все посадочные аппараты, отправленные туда, достаточно быстро выходили из строя. Кроме того, новая технология может найти применение в геотермальных энергосистемах, ядерных реакторах и термоядерных установках.
Особое значение новая разработка имеет для искусственного интеллекта. «Более 92% вычислений в системах ИИ — это матричное умножение, — объясняет Янг. — Наше устройство может выполнять его наиболее эффективным способом, на порядки быстрее и с меньшими затратами энергии». Мемристоры выполняют вычисления непосредственно при прохождении через них электричества, что радикально снижает энергопотребление.
Янг подчеркивает, что до практического применения еще далеко — сначала нужно разработать высокотемпературные логические схемы и наладить массовое производство. Однако критически важный компонент для электроники экстремальных температур уже создан.
Ранее физики уловили свет наноструктурой в 1000 раз тоньше волоса.