Современная электроника обеспечивает работу всего, от смартфонов до спутников, но у всех них есть одно существенное ограничение — высокая температура. Как только температура поднимается выше примерно 200 градусов Цельсия, большинство устройств начинают выходить из строя. На протяжении десятилетий этот тепловой барьер оставался одной из самых сложных задач в инженерной практике.
Исследователи из Университета Южной Калифорнии теперь считают, что нашли способ преодолеть этот предел.
В исследовании, опубликованном 26 марта 2026 года в журнале Science, группа ученых под руководством Джошуа Янга, профессора имени Артура Б. Фримена на кафедре электротехники и вычислительной техники им. Минга Хсие в Инженерной школе Витерби и Школе передовых вычислительных технологий Университета Южной Калифорнии, представила новый тип запоминающего устройства, которое продолжает работать при температуре 700 градусов Цельсия (~1300 градусов Фаренгейта). Эта температура превышает температуру расплавленной лавы и намного превосходит все ранее достигнутые показатели для этого класса технологий. Устройство не показало никаких признаков отказа. Фактически, 700 градусов — это просто максимальная температура, которую могло выдержать их оборудование.
«Можно назвать это революцией, — сказал Ян. — Это лучшая из когда-либо продемонстрированных высокотемпературных запоминающих устройств».
Мемристор, созданный для работы в условиях экстремальных температур.
Новое устройство известно как мемристор — наноразмерный компонент, способный как хранить данные, так и выполнять вычисления. Он имеет микроскопическую слоистую структуру с двумя электродами по бокам и тонким керамическим слоем между ними.
Цзянь Чжао, первый автор исследования, создал устройство, используя вольфрам для верхнего электрода, керамику из оксида гафния в качестве среднего слоя и графен для нижнего слоя. Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления среди всех элементов, в то время как графен, одноатомный слой углерода, известен своей исключительной прочностью и термостойкостью.
Такое сочетание обеспечило замечательные результаты. Устройство сохраняло данные более 50 часов при температуре 700 градусов без необходимости обновления. Оно также выдержало более миллиарда циклов переключения при этой температуре и работало всего при 1,5 вольтах со скоростью, измеряемой десятками наносекунд.
Неожиданный прорыв
Это открытие не входило в первоначальные планы команды. Изначально они пытались создать другое устройство на основе графена, которое не работало должным образом. В процессе работы они столкнулись с неожиданным открытием.
«Честно говоря, это произошло случайно, как и большинство открытий», — сказал Ян. «Если это можно предсказать, то обычно это не удивительно и, вероятно, недостаточно значимо».
Дальнейшее исследование выявило причину столь высокой производительности устройства. В традиционной электронике нагрев вызывает медленное перемещение атомов металла в верхнем электроде через керамический слой. В конечном итоге они достигают нижнего электрода, создавая постоянное соединение, которое вызывает короткое замыкание устройства и оставляет его во включенном состоянии.
Графен предотвращает эту неисправность. Его взаимодействие с вольфрамом, как описал Ян, подобно взаимодействию масла и воды. Атомы вольфрама, приближающиеся к поверхности графена, не могут к ней прикрепиться. Без стабильной точки опоры они уносятся прочь, вместо того чтобы образовывать проводящий мостик. Это предотвращает короткие замыкания и сохраняет работоспособность устройства даже при экстремальных температурах.
Исследователи подтвердили этот механизм, используя передовые методы электронной микроскопии, спектроскопии и моделирования на квантовом уровне. Понимая, что происходит на границе раздела атомов, они превратили неожиданный результат в принцип, который может послужить ориентиром для будущих разработок. Были выявлены и другие материалы со схожими поверхностными свойствами, что может помочь масштабировать технологию для промышленного производства.
Применение в экстремальных условиях
Электронные устройства, способные работать при температуре выше 500 градусов Цельсия, давно являются целью освоения космоса. Например, температура поверхности Венеры находится примерно на этом уровне, и каждый отправленный туда посадочный модуль выходил из строя отчасти из-за экстремальной жары. Современные кремниевые чипы не могут выдержать такие условия.
«Сейчас температура превышает 700 градусов, и мы предполагаем, что она поднимется еще выше», — сказал Ян.
Потенциальные области применения выходят далеко за рамки космических миссий. Геотермальные энергетические системы требуют электроники, способной функционировать глубоко под землей, где окружающие породы могут раскаляться докрасна. В ядерных и термоядерных системах оборудование также подвергается воздействию высоких температур. Даже в повседневных условиях значительно повышается долговечность. Устройство, рассчитанное на 700 градусов, будет чрезвычайно надежным и при температурах около 125 градусов, часто достигаемых внутри автомобильной электроники.
Почему это важно для искусственного интеллекта
Помимо хранения данных, это устройство предоставляет значительное преимущество для искусственного интеллекта. Многие системы ИИ в значительной степени полагаются на матричное умножение — математическую операцию, используемую в таких задачах, как распознавание изображений и обработка естественного языка. Традиционные компьютеры выполняют эти вычисления шаг за шагом, потребляя большое количество энергии.
Мемристоры решают эту проблему по-другому. Используя закон Ома, согласно которому напряжение, умноженное на проводимость, равно току, устройство выполняет вычисления непосредственно по мере протекания через него электрического тока. Результат получается мгновенно в виде измеренного тока.
«Более 92 процентов вычислительных операций в системах искусственного интеллекта, таких как ChatGPT, сводятся к умножению матриц», — сказал Ян. «Устройства такого типа могут выполнять это наиболее эффективным способом, на порядки быстрее и с меньшим энергопотреблением».
Ян и три соавтора исследования (Цянфэй Ся, Мяо Ху и Нин Гэ) уже основали компанию TetraMem для коммерциализации чипов искусственного интеллекта на основе мемристоров, работающих при комнатной температуре. В их лаборатории уже используются работающие чипы TetraMem для задач машинного обучения. Описанная в этом исследовании высокотемпературная версия может расширить эти возможности на среды, где традиционная электроника не может работать, позволяя таким устройствам, как космические аппараты или промышленные датчики, обрабатывать данные непосредственно на месте.
От лабораторного прототипа к реальной технологии
Несмотря на многообещающие результаты, Ян подчеркивает, что до практического применения еще далеко. Память — лишь одна часть полноценной вычислительной системы. Необходимо также разработать и интегрировать высокотемпературные логические схемы. Кроме того, существующие устройства изготавливались вручную в очень малых масштабах в лабораторных условиях, поэтому для их массового производства потребуется время.
«Это первый шаг, — сказал Ян. — Впереди еще долгий путь. Но, логически рассуждая, вы можете понять: теперь это возможно. Недостающий компонент создан».
С точки зрения производства, два материала, используемые в устройстве, — оксид вольфрама и оксид гафния — уже широко применяются в полупроводниковой промышленности. Графен — более новый материал, но его активно разрабатывают крупные компании, такие как TSMC и Samsung, и он уже производится в масштабах кремниевых пластин в исследовательских центрах.
Шаг к новым горизонтам
Работа проводилась в рамках Центра CONCRETE (Center of Neuromorphic Computing under Extreme Environments), межуниверситетского центра передового опыта, возглавляемого Университетом Южной Калифорнии (USC) и поддерживаемого Управлением научных исследований ВВС и Исследовательской лабораторией ВВС. Ключевые экспериментальные работы проводились в сотрудничестве с командой доктора Сабьясачи Гангули в Лаборатории материалов AFRL в Дейтоне, штат Огайо, а теоретический анализ включал исследователей из USC и сотрудников Университета Кумамото в Японии.
Для Янга публикация в журнале Science — это не просто отдельное достижение.
«Исследование космоса никогда не было таким реальным, таким близким и в таком масштабном формате», — сказал он. «Эта статья представляет собой важный шаг в гораздо более масштабную и захватывающую область».
Источник: www.sciencedaily.com
