這一溫度不僅遠(yuǎn)超傳統(tǒng)硅基芯片約200攝氏度的“熱死亡線”，甚至高于熔巖的平均溫度。
近日，美國南加州大學(xué)（USC）維特比工程學(xué)院的研究團(tuán)隊在《科學(xué)》（Science）雜志發(fā)表最新成果，宣布成功研發(fā)出一種能在700攝氏度極端高溫下穩(wěn)定運行的新型存儲芯片。這一溫度不僅遠(yuǎn)超傳統(tǒng)硅基芯片約200攝氏度的“熱死亡線”，甚至高于熔巖的平均溫度，為金星探測、地?zé)徙@探及下一代人工智能硬件打開了全新可能。
該研究由南加州大學(xué)高級計算學(xué)院的亞瑟·B·弗里曼講席教授約書亞·楊（Joshua Yang）領(lǐng)導(dǎo)，論文第一作者趙健（Jian Zhao）通過一種獨特的“三明治”結(jié)構(gòu)，成功解決了困擾電子工程界數(shù)十年的熱失效難題。
傳統(tǒng)電子設(shè)備在面臨高溫時，其內(nèi)部的金屬原子會因熱能而發(fā)生遷移，穿過絕緣層導(dǎo)致短路，從而使芯片失效。為了解決這一痛點，研究團(tuán)隊采用了三種極具特性的材料構(gòu)建憶阻器：頂層電極采用熔點最高的金屬鎢；中間層使用耐高溫的氧化鉿陶瓷作為絕緣體；底層電極則選用了單原子層厚度的石墨烯。
“這就像油和水一樣，”楊教授形象地解釋道。石墨烯與鎢之間特殊的表面化學(xué)性質(zhì)，使得漂移過來的鎢原子無法在石墨烯表面“著陸”或附著。由于缺乏錨定點，原子無法形成導(dǎo)電通路，從而徹底杜絕了高溫短路的風(fēng)險。
這一發(fā)現(xiàn)最初源于一次“意外”。楊教授坦言：“說實話，這是偶然的，就像大多數(shù)偉大的發(fā)現(xiàn)一樣。”團(tuán)隊最初試圖構(gòu)建其他設(shè)備，卻在測試中意外發(fā)現(xiàn)了這種結(jié)構(gòu)在極端溫度下的驚人穩(wěn)定性。
在實驗室嚴(yán)苛的測試中，這款新型憶阻器展現(xiàn)了令人咋舌的性能。在700攝氏度的高溫環(huán)境下，它無需刷新即可保持?jǐn)?shù)據(jù)超過50小時，且未出現(xiàn)任何性能退化跡象。更驚人的是，該器件在如此極端條件下，仍能承受超過10億次的開關(guān)循環(huán)，且僅需1.5伏的低電壓即可在納秒級速度下運行。楊教授評價道：“你可以稱之為一場革命。這是迄今為止展示過的最佳高溫存儲器。”
這一技術(shù)突破將徹底改變深空探測與極端環(huán)境作業(yè)的規(guī)則。長期以來，航天機(jī)構(gòu)一直在尋求能在500攝氏度以上工作的硬件，以應(yīng)對金星表面等極端環(huán)境。由于傳統(tǒng)硅芯片無法承受高溫，人類對金星的探測往往止步于短暫的著陸。如今，這款芯片讓行星探測器在金星表面進(jìn)行長期、現(xiàn)場計算成為可能，不再完全依賴遠(yuǎn)程或受限于冷卻系統(tǒng)的壽命。
除了深空，該技術(shù)在地?zé)崮茉础⒑四芟到y(tǒng)及汽車電子領(lǐng)域同樣前景廣闊。深地鉆探需要在巖石發(fā)出紅光的高溫環(huán)境中工作，而核反應(yīng)堆控制設(shè)備附近也產(chǎn)生極高溫度。對于日常應(yīng)用，額定耐溫700度的設(shè)備在汽車電腦經(jīng)常面臨的125度高溫下將變得“堅不可摧”，極大提升自動駕駛等系統(tǒng)的安全性。
除了作為存儲器，該器件在人工智能領(lǐng)域的應(yīng)用潛力同樣巨大。現(xiàn)代AI系統(tǒng)（如ChatGPT）中，超過92%的計算本質(zhì)上是矩陣乘法。傳統(tǒng)計算機(jī)以順序方式執(zhí)行這一操作，能耗巨大且速度受限。而憶阻器利用歐姆定律，在電流流過器件的瞬間直接進(jìn)行矩陣乘法運算。
楊教授指出：“這種設(shè)備能以最有效的方式執(zhí)行該操作，速度快幾個數(shù)量級，能耗更低。”這意味著，未來的AI硬件不僅更智能，而且將大幅降低能耗，解決當(dāng)前數(shù)據(jù)中心面臨的能源瓶頸。
目前，楊教授與論文的三位合著者（夏強飛、胡淼和葛寧）共同創(chuàng)立了初創(chuàng)公司TetraMem，該公司致力于將室溫憶阻器芯片商業(yè)化，用于人工智能計算。
雖然高溫版本的量產(chǎn)仍需時間——因為需要開發(fā)配套的高溫邏輯電路，且目前的器件仍為實驗室手工制造——但制造材料（鎢、氧化鉿）已是半導(dǎo)體代工廠的標(biāo)準(zhǔn)材料，石墨烯也正被臺積電和三星納入發(fā)展路線圖，這為未來的工業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。
“這是第一步，還有很長的路要走，”楊教授謹(jǐn)慎地表示，“但從邏輯上講，現(xiàn)在一切皆有可能了。缺失的那部分已經(jīng)具備了。”
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