Chip di memoria resistente alla lava

Scienziati USC creano un chip di memoria che resiste a temperature più calde della lava.

L’elettronica all’interno del proprio telefono, dell'auto e di ogni satellite attualmente in orbita attorno alla Terra condivide una debolezza critica: il calore. Se superano circa 200 gradi Celsius, iniziano a guastarsi. Per decenni, quel limite termico è stato uno dei muri più difficili da superare nell’ingegneria.

Un team dell’University of Southern California potrebbe aver appena trovato un modo per aggirarlo.

In uno studio pubblicato su Science (1), i ricercatori guidati dal dottor Joshua Yang (2), Arthur B. Freeman Chair Professor presso il Dipartimento Ming Hsieh di Ingegneria Elettrica e Informatica della USC Viterbi School of Engineering e della USC School of Advanced Computing, riportano un nuovo tipo di dispositivo di memoria elettronica che ha continuato a funzionare in modo affidabile a 700 gradi Celsius, più caldo della lava fusa e ben oltre qualsiasi cosa precedentemente raggiunta nella sua categoria. Il dispositivo non ha mostrato alcun segno di raggiungere il proprio limite. Settecento gradi erano semplicemente il massimo che la loro attrezzatura di test potesse raggiungere.

«Si potrebbe definirla una rivoluzione. È la migliore memoria ad alta temperatura mai dimostrata», sostiene il professor Yang.

Un minuscolo sandwich di materiali estremi

Il dispositivo è un memristore, un componente su scala nanometrica che può sia immagazzinare informazioni sia eseguire operazioni di calcolo. Pensatelo come un minuscolo sandwich: due strati di elettrodi all’esterno con un sottile strato ceramico al centro. Il dottor Jian Zhao, primo autore dell’articolo, ha costruito questo speciale memristore utilizzando tungsteno - il metallo con il più alto punto di fusione tra tutti gli elementi - come strato superiore, ceramica di ossido di afnio al centro e grafene sul fondo. Il grafene è un foglio di carbonio spesso un solo atomo, lo stesso elemento del diamante, e come i materiali che lo circondano può sopportare temperature enormi senza degradarsi.

Il risultato è stato un dispositivo che ha mantenuto i dati per oltre 50 ore a 700 gradi senza necessità di essere aggiornato, ha resistito a più di un miliardo di cicli di commutazione a quella temperatura e ha funzionato con soli 1,5 volt, con una velocità operativa dell’ordine di decine di nanosecondi.

Una scoperta accidentale

Il team di Yang stava inizialmente cercando di costruire un diverso tipo di dispositivo utilizzando il grafene. Non funzionava ancora come previsto. Nel processo, si sono imbattuti in qualcosa che non si aspettavano affatto.

Secondo il professor Yang «A dire la verità, è stato per caso, come la maggior parte delle scoperte. Se puoi prevederla, di solito non è sorprendente, e probabilmente non è abbastanza significativa».

Approfondendo, il team ha capito perché funzionava. In un dispositivo convenzionale, il calore fa sì che gli atomi di metallo dell’elettrodo superiore migrino lentamente attraverso lo strato ceramico fino a raggiungere l’elettrodo inferiore. Quando ciò accade, i due lati si collegano in modo permanente, cortocircuitando il dispositivo e lasciandolo bloccato nello stato acceso, essenzialmente guasto.

Il grafene interrompe questo processo. La sua chimica superficiale con il tungsteno è, come ha detto Yang, quasi come olio e acqua. Gli atomi di tungsteno che migrano verso la superficie del grafene scoprono di non potersi ancorare. Non avendo nulla a cui aggrapparsi, si allontanano. Nessun ancoraggio, nessun cortocircuito, nessun guasto.

Il dottor Yang racconta: «Il team non si è limitato a osservare questo effetto. Utilizzando microscopia elettronica avanzata, spettroscopia e simulazioni computazionali a livello quantistico, ha compreso esattamente cosa accade all’interfaccia atomica tra grafene e tungsteno. Questa comprensione del meccanismo è ciò che trasforma un singolo risultato fortunato in qualcosa di utilmente generalizzabile. Ora è possibile identificare e testare altri materiali con una chimica superficiale simile a quella del grafene, potenzialmente rendendo il dispositivo più facile da produrre su scala industriale».

Dove potrebbe essere utilizzato

Le agenzie spaziali chiedono da tempo elettronica in grado di funzionare oltre i 500 gradi Celsius, approssimativamente la temperatura della superficie di Venere, che ha messo fuori uso ogni missione di atterraggio inviata finora. I chip al silicio attuali falliscono a una frazione di quella temperatura.

Secondo Yang «Siamo ora oltre i 700 gradi e sospettiamo che possa andare ancora più in alto».

Le potenziali applicazioni vanno ben oltre l’esplorazione planetaria. La perforazione terrestre profonda per l’energia geotermica richiede elettronica in grado di sopravvivere in ambienti in cui la roccia circostante diventa incandescente. I sistemi di energia nucleare e a fusione generano calore intenso vicino alle loro apparecchiature di controllo. Anche per applicazioni quotidiane esiste un vantaggio pratico: un dispositivo certificato per 700 gradi è quasi indistruttibile rispetto ai picchi di 125 gradi che i computer delle automobili affrontano regolarmente.

Cosa significa per l’IA

Oltre all’archiviazione della memoria, il dispositivo ha una seconda capacità che lo rende particolarmente rilevante per l’intelligenza artificiale. L’operazione fondamentale in quasi ogni compito di IA, dal riconoscimento delle immagini all’elaborazione del linguaggio, coinvolge un calcolo matematico chiamato moltiplicazione di matrici. I computer digitali di oggi la eseguono in modo sequenziale, passo dopo passo, consumando enormi quantità di energia nel processo. Un memristore lo fa in modo diverso. Sfruttando la legge di Ohm, secondo cui la tensione moltiplicata per la conduttanza dà la corrente, il dispositivo esegue la moltiplicazione fisicamente, nell’istante in cui l’elettricità lo attraversa. La risposta è semplicemente la corrente che si misura.

«Oltre il 92 percento del calcolo nei sistemi di IA come ChatGPT non è altro che moltiplicazione di matrici», spiega Yang. «Questo tipo di dispositivo può eseguirla nel modo più efficiente, ordini di grandezza più veloce e con un consumo energetico inferiore».

Con tre coautori dell’articolo (Qiangfei Xia, Miao Hu e Ning Ge), Yang ha già cofondato una startup, TetraMem, che sta commercializzando chip memristor a temperatura ambiente per il calcolo dedicato all’IA. Il suo laboratorio dispone di chip pienamente funzionanti prodotti da TetraMem che gli studenti utilizzano quotidianamente per eseguire compiti di machine learning a velocità ed efficienze che l’hardware convenzionale non può eguagliare. La versione ad alta temperatura descritta in questo articolo potrebbe estendere tale capacità a luoghi in cui i chip convenzionali non possono operare, permettendo a una navicella spaziale, una sonda o un sensore industriale di elaborare i dati direttamente sul posto.

Quanto manca a un prodotto reale

Yang è attento a non sopravvalutare quanto vicino sia quel futuro. La memoria, da sola, non costituisce un computer completo. Sarà necessario sviluppare e integrare anche circuiti logici ad alta temperatura, e i dispositivi attuali sono stati costruiti a mano su scala sub-micrometrica in laboratorio. Il passaggio alla produzione su larga scala richiederà tempo. Egli dice: «Questo è il primo passo. C’è ancora molta strada da fare. Ma logicamente, si può vedere: ora è possibile. Il componente mancante è stato realizzato».

Dal punto di vista della produzione, due dei tre materiali del dispositivo - tungsteno e ossido di afnio - sono già standard nelle fonderie di semiconduttori di tutto il mondo. Il grafene è più recente nell’industria, ma TSMC e Samsung lo hanno già inserito nelle loro roadmap di sviluppo, e in ambito di ricerca è già stato fatto crescere su scala wafer.

La ricerca è stata condotta come parte del CONCRETE Center, acronimo di Center of Neuromorphic Computing under Extreme Environments, un Centro di Eccellenza multi-universitario guidato da Yang alla USC e sponsorizzato dall’Air Force Office of Scientific Research e dall’Air Force Research Laboratory. Misurazioni chiave e caratterizzazioni dei materiali sono state realizzate in collaborazione con il team del dottor Sabyasachi Ganguli presso l’AFRL Materials Lab a Dayton, Ohio. L’analisi teorica è stata fornita dal gruppo di fisica computazionale della USC e da collaboratori della Kumamoto University in Giappone.

Il professor Yang è molto onorato del fatto che Science abbia accettato l’articolo perché ciò riflette qualcosa di più grande dei risultati di un singolo laboratorio. A tal proposito egli sostiene che «L’esplorazione spaziale non è mai stata così reale, così vicina e su una scala così ampia. Questo articolo rappresenta un salto critico verso una frontiera molto più vasta e più entusiasmante, conclude il ricercatore».

Riferimenti:

(1) High-temperature memristors enabled by interfacial engineering

(2) Joshua Yang

Descrizione foto: Un dispositivo di memoria, che utilizza il grafene, ad alta temperatura da record, con implicazioni per l’esplorazione dello spazio, la perforazione della terra profonda e il futuro dell’hardware IA. - Credit: USC Viterbi School of Engineering.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: USC Scientists Build a Memory Chip That Survives Temperatures Hotter Than Lava