Вчені випадково створили чип, що працює за температур, вищих ніж лава

Это произошло случайно — и может стать одним из важнейших открытий в области чипов за десятилетия. В процессе исследований ученые получили чип, который стабильно функционировал в режиме температур, которые считаются сверхвысокими.

Тепло было тем пределом, который не давал нам строить электронные устройства, способные выдерживать экстремальные условия. Электронные устройства не только начинают снижать производительность при высоких температурах — если их подвергнуть воздействию более 200 градусов, они полностью перестают работать. Но это может измениться: команда Университета Южной Калифорнии, похоже, сломала тепловой потолок.

В исследовании, опубликованном в Science, ученые разработали новый чип памяти, который надежно работал при температуре 700 градусов Цельсия. Для сравнения — это горячее, чем расплавленная лава. Устройство не проявляло никаких признаков отказа. Семьсот градусов — просто лимит их тестового оборудования. Может ли чип выдержать больше — не проверялось.

«Это можно назвать революцией», — утверждает Джошуа Ян, ведущий исследователь проекта.

Как им это удалось? Чип построен как маленький бутерброд. Сверху — вольфрам, посередине — тонкий керамический слой, снизу — графен. Каждый из этих материалов сам по себе хорошо выдерживает экстремальное тепло, но магия происходит на слое графена. В обычном чипе тепло проталкивает атомы металла сквозь керамический слой, пока обе стороны не соединяются — и возникает короткое замыкание. Графен предотвращает это.

«Это лучшая высокотемпературная память из когда-либо продемонстрированных», — говорит Ян.

По его словам, графен и вольфрам ведут себя как масло и вода. Атомы вольфрама, дрейфующие к нему, просто не могут зацепиться за поверхность и отступают. Поскольку нет точки опоры, чип не замыкается. Лучше всего? Команда наткнулась на это совершенно случайно.

«Если честно, это произошло случайно — как и большинство открытий», — сказал Ян.

Почему преодоление теплового потолка важно? Тепловой потолок не давал создавать машины, способные выдерживать экстремальные температуры. Из-за этого мы не могли отправлять зонды на планеты с чрезвычайно высокими температурами или проводить эксперименты с глубинным бурением Земли. Новый чип может позволить нам осуществлять такие эксперименты.

Еще одно применение этого чипа — искусственный интеллект. Более 90 процентов вычислений в системах ИИ, таких как ChatGPT, задействуют единственный тип математических расчетов. Этот чип способен выполнять такие расчеты в момент прохождения через него электричества, что делает его значительно быстрее и энергоэффективнее всего, что мы используем сегодня. Да, до готового продукта еще годы. Но Ян выразился так:

«Недостающий компонент создан. Когда он выйдет в производство, это решит одну из самых больших проблем, сдерживающих развитие чиповых технологий».

Устройство продемонстрировало впечатляющую выносливость во время тестирования: оно сохраняло данные более 50 часов при 700 градусах без необходимости обновления, выдержало более миллиарда циклов переключения при этой температуре, и при этом работало всего от 1,5 вольта со скоростью переключения в десятки наносекунд. Для сравнения — современные чипы в смартфонах и спутниках начинают деградировать уже после нескольких часов при 200 градусах.

Относительно масштабирования производства — ситуация лучше, чем могло бы показаться. Два из трех материалов устройства — вольфрам и оксид гафния — уже являются стандартными в мировых полупроводниковых производствах. Графен является более новым для отрасли, но TSMC и Samsung уже внесли его в свои дорожные карты развития, и его уже выращивали на уровне пластин в исследовательских условиях. Для Яна технические показатели — лишь часть картины.

«Исследование космоса никогда не было таким реальным, таким близким и таким масштабным. Это является критическим скачком в гораздо больший, более захватывающий фронтир», — уверяет он.

Исследование осуществлялось в рамках центра CONCRETE — Center of Neuromorphic Computing under Extreme Environments — при финансировании Научно-исследовательской лаборатории ВВС США.