Современные твердотельные накопители – это чудо инженерной мысли. Они чрезвычайно быстры и очень надежны, несмотря на то, что в игровых компьютерах их размещают рядом с массивными тепловыделяющими видеокартами. Но, как и у всех микросхем на основе кремния, у них есть предел, до которого они могут нагреваться, прежде чем потерять данные или полностью выйти из строя. Однако две группы исследователей разработали тип флэш-памяти, способный сохранять данные при температурах, по сравнению с которыми полдень на Венере покажется холодным.
Подробности работы были опубликованы в журнале Nature (через сайт Interesting Engineering), однако Университет Пенсильвании хорошо изложил результаты для тех, кто не имеет докторского образования в области материаловедения. Две исследовательские группы в Школе инженерных и прикладных наук под руководством Дипа Джаривала и Роя Олссона посвятили несколько месяцев работе по поиску идеальной толщины ферроэлектрического нитрида алюминия-скандия (AlScN), чтобы использовать его в качестве базового материала для устройства флэш-памяти.
В повседневной флэш-памяти, например, в USB-накопителях, SD-картах и SSD, конечно же, используется кремний, и его использование доведено до уровня, который был бы немыслим всего десять лет назад. Лучшие игровые SSD-накопители вмещают несколько терабайт данных и могут передавать тысячи мегабайт за секунду. Они также служат годами благодаря уровню выносливости при записи в районе петабайта.
Однако у них есть один существенный недостаток – они не очень хорошо переносят высокие температуры. При превышении определенной температуры кремниевые флэш-ячейки с трудом сохраняют данные, и даже самые лучшие из них (например, используемые в космической промышленности) выходят из строя при температуре 200 градусов Цельсия (392 градуса по Фаренгейту).
Поэтому, когда команды Джаривала и Олссона создали флэш-память на основе AlScN, способную выдерживать температуру до 600 градусов Цельсия (1 112 градусов по Фаренгейту), Вы знаете, что у них на руках нечто особенное. Не то чтобы было легко добиться нужного результата, ведь толщина слоя AlScN должна была быть просто идеальной.
“Если он слишком тонкий, повышенная активность может привести к диффузии и разрушению материала. Если слой слишком толстый, то происходит ферроэлектрическое переключение, которого мы добивались…[s]o Моя лаборатория и лаборатория Роя Олссона работали вместе в течение нескольких месяцев, чтобы найти эту “золотую середину””, – говорит Дхирен Прадхан, постдокторант в команде Джаривала.
Он также отметил, что “кристаллическая структура AlScN также обеспечивает ему заметно более стабильные и прочные связи между атомами, а это значит, что он не только жаростойкий, но и довольно прочный”, что делает его идеальным для использования в экстремальных условиях, а не только в тех, где бывает немного жарковато.
Очевидным применением такого материала является посадка космических кораблей на такие планеты, как Венера, средняя температура поверхности которой составляет 464 градуса по Цельсию (867 градусов по Фаренгейту). Вы можете подумать, что такой нагрев поджарит любой кремниевый чип, а не только ячейки флэш-памяти, и Вы будете правы.
В таких случаях в качестве полупроводникового материала используется карбид кремния, но, как объясняет Прадхан, “он не может сравниться по вычислительной мощности с кремниевыми процессорами, поэтому передовые вычисления и вычисления с большим объемом данных, такие как искусственный интеллект, не могут быть выполнены при высоких температурах или в любых жестких условиях”.
Прочность нового материала означает, что память может быть лучше интегрирована в чипы из карбида кремния, что поможет повысить их производительность.
Однако немедленного применения этой технологии для игровых ПК не предвидится, но исследование может привести к разработке микросхем энергозависимой и энергонезависимой памяти, которые будут еще более термостойкими, чем нынешние. Это поможет улучшить сохранность данных в системах, выделяющих много тепла, или устранит необходимость использования больших и дорогостоящих радиаторов, что является необходимостью для новейших твердотельных накопителей PCIe 5.0.
