Aumentando la temperatura en el almacenamiento de datos: un nuevo dispositivo de memoria allana el camino para la computación con IA en entornos extremos

Que un teléfono inteligente se apague en un día sofocante es una molestia muy común que puede acompañar a un viaje a la playa en una tarde soleada. La memoria electrónica de estos dispositivos no está diseñada para soportar calor extremo.

A medida que aumentan las temperaturas, los electrones que almacenan datos se vuelven inestables y comienzan a escapar, lo que provoca fallas en el dispositivo y pérdida de información. Pero ¿qué pasaría si los dispositivos pudieran resistir no sólo un caluroso día de verano sino también las abrasadoras condiciones de un motor a reacción o la dura superficie de Venus?

en un papel publicado en el diario Electrónica de la naturalezaDeep Jariwala y Roy Olsson de la Universidad de Pensilvania y sus equipos de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas demostraron una tecnología de memoria capaz de soportar temperaturas de hasta 600 °C (más del doble de la tolerancia de cualquier unidad comercial del mercado) y estas características se mantuvieron durante más de 60 horas, lo que indica una estabilidad y confiabilidad excepcionales.

Los hallazgos del equipo no solo allanan el camino para mejores sensores para herramientas que necesitan operar en entornos extremos, sino que también abren la puerta a sistemas de inteligencia artificial expertos en computación con gran cantidad de datos en condiciones difíciles.

«Desde la perforación en las profundidades de la Tierra hasta la exploración espacial, nuestros dispositivos de memoria de alta temperatura podrían conducir a una informática avanzada donde otros dispositivos electrónicos y de memoria fallarían», afirma Jariwala. «No se trata sólo de mejorar los dispositivos; se trata de permitir nuevas fronteras en la ciencia y la tecnología».

El equipo desarrolló un dispositivo clasificado como no volátil, lo que significa que retiene la información almacenada en él sin necesidad de una fuente de alimentación activa como la que se utiliza a diario en la electrónica de consumo en cualquier dispositivo con disco duro o unidades flash. Sin embargo, a diferencia de otros dispositivos flash tradicionales basados ​​en silicio que comienzan a fallar alrededor de los 200° Celsius (392° Fahrenheit), los investigadores diseñaron el suyo utilizando un material conocido como nitruro de aluminio y escandio ferroeléctrico (AlScN).

Los investigadores explican que AlScN confiere un beneficio de almacenamiento en virtud de su capacidad para retener un estado eléctrico determinado (el «encendido» o el «apagado» representa unos y ceros de datos digitales) después de que se elimina un campo eléctrico externo y a temperaturas significativamente más altas. temperaturas, entre otras propiedades deseables.

«La estructura cristalina del AlScN también le proporciona enlaces notablemente más estables y fuertes entre los átomos, lo que significa que no sólo es resistente al calor sino también bastante duradero», dice Dhiren Pradhan, primer autor del artículo e investigador postdoctoral en los laboratorios Jariwala y Olsson.

«Pero lo más notable es que el diseño y las propiedades de nuestro dispositivo de memoria permiten un cambio rápido entre estados eléctricos, lo cual es crucial para escribir y leer datos a alta velocidad».

El dispositivo de memoria consta de una estructura de metal, aislante y metal, que incorpora electrodos de níquel y platino con una capa delgada (45 nanómetros) de AlScN, y el espesor es una consideración clave aquí, dice Jariwala, porque a temperaturas elevadas las partículas se mueven de manera más errática.

«Si es demasiado delgado, el aumento de la actividad puede impulsar la difusión y degradar un material. Si es demasiado grueso, ahí se produce la conmutación ferroeléctrica que estábamos buscando, ya que el voltaje de conmutación aumenta con el espesor y existe una limitación en entornos operativos prácticos. Entonces, mi laboratorio y el de Roy Olsson trabajaron juntos durante meses para encontrar este espesor de Ricitos de Oro», dice.

Esta configuración estructural también garantiza la compatibilidad con dispositivos lógicos de carburo de silicio de alta temperatura, lo que permite que el dispositivo de memoria del equipo funcione junto con sistemas informáticos de alto rendimiento diseñados para temperaturas extremas.

Más allá de construir un dispositivo de almacenamiento robusto para la exploración terrestre y extraterrestre, Jariwala y su equipo también ven el potencial de esta nueva tecnología para permitir formas más sofisticadas de computación en entornos extremos.

Jariwala explica que su dispositivo también podría abordar una brecha crítica en las arquitecturas informáticas actuales donde la separación de la unidad central de procesamiento y la memoria crea ineficiencias, ya que los datos deben viajar entre estos componentes, lo que provoca cuellos de botella especialmente críticos en las aplicaciones de inteligencia artificial que procesan grandes cantidades de datos rápidamente.

«Los dispositivos convencionales que utilizan pequeños transistores de silicio tienen dificultades para funcionar en entornos de alta temperatura, una limitación que restringe los procesadores de silicio, por lo que, en su lugar, se utiliza carburo de silicio», afirma.

«Si bien la tecnología de carburo de silicio es excelente, no se acerca en absoluto a la potencia de procesamiento de los procesadores de silicio, por lo que el procesamiento avanzado y la computación con gran cantidad de datos, como la IA, no se pueden realizar en entornos de alta temperatura o hostiles.

«La estabilidad de nuestro dispositivo de memoria podría permitir una integración más estrecha de la memoria y el procesamiento, mejorando la velocidad, la complejidad y la eficiencia de la computación. A esto lo llamamos ‘computación mejorada con memoria’ y estamos trabajando con otros equipos para sentar las bases para la IA en nuevos entornos.»