Chipset đạt kỷ lục khi hoạt động ở nhiệt độ 700°C, chịu được sức nóng như dung nham

Các thiết bị điện tử hiệu năng cao từ lâu luôn đối mặt với một giới hạn lớn: nhiệt độ. Phần lớn chip hiện nay sẽ hỏng khi nhiệt độ vượt quá khoảng 200°C, khiến việc vận hành trong môi trường khắc nghiệt như sâu trong lòng đất, lò phản ứng hạt nhân hay bề mặt sao Kim gần như bất khả thi. Tuy nhiên, một nghiên cứu mới từ Đại học Nam California (USC) cho thấy rào cản này có thể sớm bị phá vỡ.

Nhóm nghiên cứu tại Trường Kỹ thuật Viterbi của USC vừa công bố một thiết bị bộ nhớ điện tử có thể hoạt động ổn định ở nhiệt độ lên tới 700°C – cao hơn cả dung nham nóng chảy – mà không xuất hiện dấu hiệu hư hỏng. Công trình được đăng trên tạp chí Science và được xem là bước tiến lớn trong lĩnh vực điện tử nhiệt độ cao.

Giáo sư Joshua Yang, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết đây là loại bộ nhớ chịu nhiệt tốt nhất từng được chứng minh trong phòng thí nghiệm, mở ra hướng đi hoàn toàn mới cho các hệ thống điện tử hoạt động trong môi trường cực đoan.

Memristor với cấu trúc “kẹp vật liệu” tạo nên đột phá

Bí quyết của công nghệ này nằm ở memristor – một linh kiện nano có thể vừa lưu trữ vừa xử lý dữ liệu. Thiết kế của nhóm USC sử dụng cấu trúc gồm ba lớp vật liệu: vonfram ở phía trên, oxit hafni ở giữa và một lớp graphene cực mỏng ở phía dưới.

Mỗi vật liệu đóng vai trò riêng. Vonfram có điểm nóng chảy cao giúp tăng độ bền, oxit hafni tạo sự ổn định như một lớp cách điện gốm, còn graphene ngăn chặn hiện tượng đoản mạch khi nhiệt độ tăng cao. Nhờ cấu trúc này, thiết bị có thể lưu dữ liệu hơn 50 giờ ở 700°C, chịu được hơn một tỷ lần chuyển mạch và hoạt động ở điện áp chỉ 1,5V với tốc độ nano giây.

Điều đáng chú ý là thiết bị vẫn chưa đạt tới điểm hỏng – chính hệ thống thử nghiệm mới là giới hạn của thí nghiệm, cho thấy tiềm năng còn lớn hơn trong tương lai.

Phát hiện tình cờ nhưng mở ra hướng đi lớn

Theo nhóm nghiên cứu, phát hiện này đến khá bất ngờ khi họ đang thử nghiệm các thiết kế graphene cho mục đích khác. Phân tích bằng kính hiển vi và mô phỏng lượng tử sau đó cho thấy graphene có khả năng ngăn chặn sự khuếch tán nguyên tử kim loại, vốn là nguyên nhân chính khiến chip hỏng ở nhiệt độ cao.

Phát hiện này giúp giải quyết bài toán mà ngành bán dẫn đã gặp phải trong nhiều thập kỷ: làm sao để thiết bị điện tử vẫn hoạt động ổn định trong môi trường cực nóng.

Mở đường cho tàu thăm dò sao Kim và hệ thống AI tiết kiệm điện

Ứng dụng tiềm năng của công nghệ này rất rộng. Các cơ quan vũ trụ từ lâu đã tìm kiếm phần cứng có thể hoạt động trên sao Kim – nơi nhiệt độ bề mặt lên tới hơn 450°C. Với khả năng chịu nhiệt 700°C, memristor mới có thể cho phép tàu thăm dò xử lý dữ liệu trực tiếp tại chỗ thay vì phụ thuộc vào hệ thống điều khiển từ xa.

Ngoài không gian, công nghệ này còn có thể được ứng dụng trong khoan địa nhiệt, lò phản ứng hạt nhân hoặc các môi trường công nghiệp nhiệt độ cao. Đặc biệt, memristor có khả năng thực hiện phép nhân ma trận – nền tảng của hầu hết thuật toán AI – với mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn nhiều so với chip truyền thống.

Theo nhóm nghiên cứu, hơn 90% phép tính trong các hệ thống AI hiện đại là nhân ma trận, vì vậy phần cứng memristor có thể giúp tăng tốc xử lý và giảm đáng kể điện năng tiêu thụ.

Thương mại hóa còn xa nhưng tiềm năng rất lớn

Giáo sư Joshua Yang đã cùng các cộng sự thành lập công ty khởi nghiệp TetraMem nhằm thương mại hóa phần cứng AI dựa trên memristor. Tuy nhiên, ông thừa nhận rằng việc đưa công nghệ vào thực tế vẫn cần nhiều thời gian.

Hai vật liệu chính của thiết bị – vonfram và oxit hafni – đã được sử dụng rộng rãi trong ngành bán dẫn, trong khi sản xuất graphene quy mô lớn cũng đang được các hãng công nghệ thúc đẩy. Điều này giúp công nghệ có nền tảng tốt để phát triển trong tương lai.

Dù vẫn đang ở giai đoạn đầu, nghiên cứu được xem là bước tiến quan trọng trong việc xây dựng hệ thống điện tử hoạt động trong môi trường khắc nghiệt. Theo nhóm USC, thành phần quan trọng nhất của bài toán đã được chứng minh: chip điện tử có thể hoạt động ổn định ở nhiệt độ cực cao, mở ra cơ hội cho các ứng dụng mà trước đây chỉ tồn tại trên lý thuyết.