Para ilmuwan memecahkan penghalang suhu silikon dengan perangkat memori revolusioner yang bekerja pada suhu 1100°F

Perangkat memori yang dibuat menggunakan tantalum oksida pada chip ini dapat menyimpan data untuk memori konvensional dan komputasi dalam memori di atas 1000°F. (Kredit foto: Brenda Ahearn, Michigan Engineering)

Teknologi baru dapat membuka pintu bagi penggunaan komputer di lingkungan dengan panas ekstrem, seperti Venus.

ANN ARBOR, Michigan — Para ilmuwan telah mengembangkan perangkat memori komputer inovatif yang dapat beroperasi pada suhu lebih dari 1100°F (600°C) – cukup panas untuk menahan kondisi terik di dalam mesin jet, sumur panas bumi, dan bahkan di permukaan Venus. Terobosan ini dapat membantu mengatasi salah satu keterbatasan paling mendasar dari elektronik modern: ketidakmampuannya berfungsi pada suhu yang sangat tinggi.

Elektronik kontemporer dibangun di atas semikonduktor silikon, yang mulai rusak pada suhu di atas 150°C (302°F). Ketika dipanaskan di atas suhu ini, semikonduktor ini mulai menghantarkan arus pada tingkat yang tidak terkendali. Karena elektronik diproduksi secara tepat untuk beroperasi pada tingkat arus tertentu, arus yang disebabkan oleh panas ini dapat menghapus informasi dari memori perangkat. Batasan suhu ini telah mencegah penggunaan perangkat elektronik canggih di lingkungan seperti mesin luar angkasa (150°C-600°C), misi eksplorasi Venus (550°C), dan sumur panas bumi dalam (300°C-600°C).

Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh para ilmuwan dari Universitas Michigan, bekerja sama dengan Sandia National Laboratory, kini telah menghancurkan penghalang termal tersebut. Perangkat mereka, dirinci dalam makalah terbaru yang diterbitkan di jurnal Perangkatberoperasi melalui proses elektrokimia yang mirip dengan baterai, tetapi alih-alih menyimpan energi, ia menyimpan informasi. Sistem ini menggunakan penghalang elektrolit padat yang memungkinkan hanya ion oksigen yang bergerak antar lapisan sambil menghalangi partikel bermuatan lainnya.

“Hal ini dapat memungkinkan perangkat elektronik yang sebelumnya tidak ada untuk aplikasi suhu tinggi,” kata Yiyang Li, asisten profesor ilmu dan teknik material di Universitas Michigan dan penulis senior studi tersebut, dalam sebuah pernyataan.

Arsitektur perangkat ini terdiri dari tiga lapisan utama: semikonduktor yang terbuat dari tantalum oksida, lapisan logam tantalum, dan elektrolit padat yang disebut zirkonia yang distabilkan yttria (YSZ) yang diapit di antara keduanya. Tiga elektroda platinum mengontrol pergerakan ion oksigen melalui struktur ini. Berbeda dengan elektron dalam memori konvensional, ion oksigen ini tetap stabil bahkan pada suhu ekstrim.

Ketika atom oksigen meninggalkan lapisan tantalum oksida, mereka menciptakan daerah logam tantalum. Secara bersamaan, lapisan tantalum oksida terbentuk di sisi berlawanan dari penghalang. Lapisan-lapisan ini mempertahankan pemisahannya, seperti minyak dan air, memastikan informasi yang disimpan tetap stabil hingga diubah secara sengaja dengan menerapkan tegangan baru. Dengan mengontrol kandungan oksigen, para peneliti dapat mengubah seberapa mudah arus listrik mengalir melalui material, menciptakan keadaan berbeda yang mewakili informasi yang disimpan.

Para peneliti menunjukkan daya tahan perangkat mereka yang luar biasa melalui pengujian yang ketat. Ia dapat beralih antar status lebih dari 10.000 kali tanpa gagal dan mempertahankan informasi yang tersimpan setidaknya selama 24 jam pada suhu 400°C (752°F) dan 600°C (1.112°F). Saat ini, perangkat tersebut dapat menyimpan sedikit informasi, namun Li mencatat bahwa “dengan lebih banyak pengembangan dan investasi, secara teori perangkat ini dapat menampung megabyte atau gigabyte data.”

Sistem ini memiliki satu keterbatasan yang signifikan: informasi baru hanya dapat ditulis ke perangkat pada suhu di atas 250°C (500°F). Namun, para peneliti menyarankan kendala ini dapat diatasi dengan memasukkan pemanas untuk perangkat yang perlu beroperasi pada suhu lebih rendah.

Selain hanya menyimpan informasi biner (satu dan nol), perangkat ini juga dapat mempertahankan beberapa status perantara, sehingga mampu melakukan penyimpanan analog. Kemampuan ini sangat berguna untuk aplikasi kecerdasan buatan di lingkungan ekstrem, di mana kekuatan pemrosesan dan efisiensi energi menjadi perhatian penting.

“Ada banyak minat dalam menggunakan AI untuk meningkatkan pemantauan dalam pengaturan ekstrem ini, namun hal tersebut memerlukan chip prosesor besar yang bekerja dengan banyak daya, dan banyak dari pengaturan ekstrem ini juga memiliki anggaran daya yang ketat,” jelas Alec Talin, seorang ilmuwan senior di Sandia National Laboratories dan rekan penulis studi. “Chip komputasi dalam memori dapat membantu memproses sebagian data tersebut sebelum mencapai chip AI dan mengurangi penggunaan daya perangkat secara keseluruhan.”

Meskipun ada teknologi memori suhu tinggi lainnya, perangkat baru ini menawarkan keunggulan tersendiri: perangkat ini beroperasi pada voltase lebih rendah dibandingkan alternatif lain seperti memori feroelektrik dan nanogap elektroda platinum polikristalin, sekaligus menyediakan lebih banyak status analog untuk komputasi dalam memori. Perangkat ini dapat mempertahankan status informasinya di atas 1100°F selama lebih dari 24 jam, menyamai kinerja suhu teknologi terbaik yang ada sekaligus menawarkan manfaat tambahan ini.

Para peneliti telah mengajukan paten dan mencari mitra untuk membawa teknologi tersebut ke pasar. Kemajuan ini memungkinkan generasi baru perangkat elektronik mampu beroperasi di lingkungan yang sebelumnya tidak dapat diakses oleh sistem komputer canggih, mulai dari kedalaman sumur panas bumi hingga permukaan planet lain.