Mỹ phát triển chip chịu được mức nhiệt 700 độ C

Chip mới do GS Joshua Yang, Jian Zhao từ Đại học Nam California (USC) dẫn đầu có thể hoạt động hoàn hảo ở mức nhiệt 700 độ C (khoảng 1300 độ F) - nóng hơn cả dung nham núi lửa và vượt xa mọi tiêu chuẩn chịu nhiệt trên công nghệ chip hiện nay. "Bạn có thể gọi đây là một cuộc cách mạng", Yang nói. "Đây là loại bộ nhớ chịu nhiệt tốt nhất từng được chứng minh".

Cho đến nay, hầu hết chip nhớ trên các thiết bị điện tử hiện đại đều phải đối mặt cùng một hạn chế: nhiệt độ. Theo ScitechDaily, khi nhiệt độ tăng trên 200 độ C, hiệu năng chip bắt đầu suy giảm, thậm chí khiến hệ thống hỏng hóc hơn. Các kỹ sư đã dành hàng thập kỷ để cố gắng vượt qua giới hạn trên nhưng không mấy thành công.

Trong khi đó, công nghệ mới được nghiên cứu ứng dụng memristor, một linh kiện nano có khả năng vừa lưu trữ thông tin vừa thực hiện các phép tính. Về cấu trúc, nó giống như một chồng lớp nhỏ, với hai điện cực bao quanh một lớp gốm mỏng. Nhóm sử dụng vonfram làm điện cực trên cùng, oxit hafni làm lớp cách điện ở giữa và graphene ở dưới cùng. Vonfram nổi tiếng là kim loại có điểm nóng chảy cao nhất, trong khi graphene lại cực kỳ bền và chịu nhiệt tốt.

Sự kết hợp này mang lại kết quả ấn tượng. Chip giữ được dữ liệu đã lưu trữ trong hơn 50 giờ ở nhiệt độ 700 độ C mà không cần thêm tác động bên ngoài. Nó cũng chịu được hơn một tỷ chu kỳ chuyển mạch ở cùng mức nhiệt độ này, đồng thời hoạt động chỉ với 1,5 V.

Bước đột phá này không phải là mục tiêu ban đầu, thay vào đó chỉ là sự tình cờ. Khi đó, đội ngũ chủ yếu nghiên cứu một thiết kế khác dựa trên graphene nhưng không đạt được hiệu quả như mong đợi. Nhưng khi xem xét khả năng chịu nhiệt, họ nhận ra việc tương tác giữa graphene và vonfram có những "hành vi lạ": các nguyên tử vonfram di chuyển về phía bề mặt graphene không thể bám vào, nên đã di chuyển ra xa thay vì tạo thành đường dẫn điện. Điều này ngăn chặn sự hình thành đoản mạch và giữ cho thiết bị hoạt động ngay cả trong điều kiện nhiệt độ cực cao.

Bằng cách sử dụng kính hiển vi điện tử, quang phổ và mô phỏng ở cấp độ lượng tử, nhóm nghiên cứu đã xác nhận chính xác cách thức hoạt động của quá trình này ở cấp độ nguyên tử. "Sau khi xác định các vật liệu khác có tính chất tương tự, việc sản xuất chip chịu nhiệt dựa trên công nghệ này trên quy mô lớn trở nên dễ dàng hơn", theo Yang. "Mức 700 độ C cũng chưa phải là ngưỡng cuối cùng".

Theo chuyên gia này, ngoài ứng dụng cho thiết bị điện tử ở môi trường khắc nghiệt hay các trung tâm dữ liệu trên Trái Đất, công nghệ mới có tiềm năng sử dụng cho các cuộc thám hiểm không gian. Chẳng hạn, sao Kim có nhiệt độ bề mặt nằm trong phạm vi 700 độ C, và các sứ mệnh trước đây đã thất bại một phần vì những thiết bị điện tử thông thường không thể chịu được sức nóng này.

Dù kết quả đầy hứa hẹn, nhóm nghiên cứu cho biết công nghệ này vẫn còn ở giai đoạn sơ khai. Yang nhấn mạnh, chỉ riêng bộ nhớ là chưa đủ để xây dựng một hệ thống máy tính hoàn chỉnh. Các mạch logic chịu nhiệt độ cao cũng cần được phát triển và tích hợp. Ngoài ra, việc chế tạo hiện tại được thực hiện thủ công ở quy mô rất nhỏ trong phòng thí nghiệm, vì vậy việc mở rộng quy mô sản xuất sẽ cần thời gian.

"Đây là bước đầu tiên", Yang cho biết. "Vẫn còn một chặng đường dài phía trước. Nhưng xét về mặt logic, bạn có thể thấy: giờ đây điều đó đã trở nên khả thi. Thành phần còn thiếu đã được tạo ra".

Bảo Lâm (theo ScitechDaily, Science)