Isınma sorunu çözülüyor mu? 700°C’de çalışan çip geliştirildi

Yarı iletken dünyasında uzun yıllardır çözülemeyen en kritik sorunlardan biri aşırı sıcaklıklar oldu. Yer kabuğunun derinliklerinden Venüs yüzeyine kadar uzanan zorlu ortamlarda çalışabilecek sistemler geliştirmek isteyen mühendisler için yaklaşık 200 santigrat derece eşiği adeta bir sınır olarak kabul ediliyordu. Ancak ABD’deki Güney Kaliforniya Üniversitesi’nden (USC) gelen yeni bir çalışma, bu sınırın artık aşılabileceğini ortaya koyuyor.

Araştırmacılar şimdiye kadar ulaşılan termal limitlerin çok ötesinde çalışabilen bir elektronik bellek cihazı geliştirdi. Yapılan deneylerde bu yeni nesil bileşenin 700 santigrat derecede, yani lav benzeri sıcaklıklarda bile kararlı şekilde çalışmayı sürdürdüğü ve herhangi bir bozulma belirtisi göstermediği açıklandı.

Çalışmanın kıdemli yazarı Prof. Joshua Yang, bu gelişmeyi “devrim” olarak nitelendirirken geliştirilen sistemin “şimdiye kadar gösterilmiş en iyi yüksek sıcaklık bellek teknolojisi” olduğunu vurguladı.

Memristor tabanlı yeni nesil tasarım

Başarının merkezinde, hem veri depolama hem de işleme yeteneğine sahip olan memristor (RRAM) adı verilen nanoskopik bir bileşen yer alıyor. Araştırma ekibi, cihazı üç katmanlı bir yapı şeklinde tasarladı. Tasarımın üstünde tungsten, ortada hafniyum oksit ve en altta ise tek atom kalınlığında grafen bulunuyor.

Bu malzemelerin her biri sistemde kritik bir rol üstleniyor. Yüksek erime noktasına sahip tungsten, yapısal dayanıklılığı sağlarken seramik özellikli hafniyum oksit, kararlı bir yalıtım katmanı olarak görev yapıyor. Sistemin en dikkat çekici bileşeni olan grafen ise hem kimyasal kararlılığı hem de dayanıklılığı sayesinde yüksek sıcaklıklarda kısa devre oluşmasını engelliyor.

Verilere göre geliştirilen cihaz 700°C’de 50 saatten uzun süre boyunca veri kaybı yaşamadan çalıştı. Üstelik herhangi bir yenileme döngüsüne ihtiyaç duymadan bu performansı sergiledi. Bunun yanında sistem, 1 milyardan fazla anahtarlama döngüsüne dayanıklılık gösterdi ve yalnızca 1.5 volt ile çalıştı. Araştırmacılar, cihazın gerçek arıza noktasına ulaşamadıklarını ve test ekipmanlarının sınırlarının deneyleri kısıtladığını da belirtiyor.

Tesadüfen bulundu

Çalışmanın dikkat çeken bir diğer yönü ise bu sonucun planlı bir hedefin ürünü olmaması. Araştırma ekibi aslında grafen tabanlı farklı bir sistem üzerinde çalışırken bu etkiyi keşfetti. Daha sonra yapılan ileri düzey mikroskopi, spektroskopi ve kuantum simülasyonları, sistemin neden bu kadar dayanıklı olduğunu ortaya koydu.

Elde edilen bulgulara göre, grafen ile tungsten arasında kimyasal bağ oluşmaması, yüksek sıcaklıklarda metal atomlarının hareket ederek yapıyı bozmasını engelliyor. Bu da cihazın aşırı koşullarda bile stabil kalmasını sağlıyor.

Bu teknolojinin potansiyel kullanım alanları oldukça geniş. Uzay ajansları uzun süredir 500 santigrat derecenin üzerindeki ortamlarda çalışabilecek donanımlar geliştirmeye çalışıyordu. Venüs yüzeyinin yaklaşık bu sıcaklıklarda olduğu düşünüldüğünde, yeni geliştirilen sistem gezegen sondaları, jeotermal sondaj ekipmanları ve nükleer reaktörlerde doğrudan yerinde işlem yapabilen bilgisayarların önünü açabilir.

Ticari ürün için adım atıldı

Öte yandan memristor teknolojisi, yapay zeka açısından da önemli avantajlar sunuyor. Bu bileşenler, yapay zekâ algoritmalarının temelini oluşturan matris çarpımı işlemlerini doğrudan fiziksel süreçlerle gerçekleştirebiliyor. Bu sayede klasik çiplere kıyasla çok daha düşük enerji tüketimiyle ve çok daha yüksek hızda işlem yapılabiliyor. Yang’a göre, modern yapay zeka sistemlerinde yapılan hesaplamaların %92’sinden fazlası bu tür işlemlerden oluşuyor.

Öte yandan teknolojinin ticarileştirilmesi doğrultusunda TetraMem adlı bir girişim de kurulmuş durumda. Şirketin hedefi, memristor tabanlı yapay zeka donanımlarını özellikle oda sıcaklığında çalışacak şekilde piyasaya sunmak. Ancak araştırmacılar, pratik uygulamaların hayata geçmesi için daha kat edilmesi gereken uzun bir yol olduğunu da kabul ediyor. Ticarileştirme sürecindeki bir diğer iyi haber ise kullanılan malzemelerin önemli bir kısmının halihazırda yarı iletken üretiminde kullanılıyor olması.