Všichni jsme zažili zklamání, když se baterie smartphonu rychle vybije nebo se zařízení při intenzivním používání přehřeje. Značná část těchto ztrát energie souvisí s principy fungování elektronických obvodů a paměťových čipů. Při zpracování dat tyto komponenty spotřebovávají elektřinu a uvolňují teplo, což vytváří “lahvové hrdlo” pro účinnost baterií.
Nový úspěch institutu vědy v Tokiu (Science Tokyo) zpochybňuje tradiční omezení miniaturizace. Výzkumníci vytvořili paměťové zařízení, které je v rozporu s dlouho zavedeným pravidlem elektroniky: *jak se zmenšují rozměry komponent, jejich vlastnosti se obvykle zhoršují. Nová technologie se naopak zlepšuje, jak se zmenšuje, což otevírá cestu k zařízením schopným pracovat měsíce na jedno nabití.
Problém se sníženou pamětí
Počítačová paměť ukládá data ovládáním toku elektřiny prostřednictvím materiálů a poskytuje informace ve formě binárních nul a jednotek. Aby inženýři snížili spotřebu energie, hledali desítky let způsoby, jak tyto komponenty zmenšit a zefektivnit.
Jednou z perspektivních destinací byla * * ferroelektrická tunelová struktura (FTS)** navržená v roce 1971. FTS používají ferroelektrické materiály, jejichž vnitřní elektrickou polarizaci lze změnit pro ukládání dat. Tato metoda vyžaduje výrazně méně elektrické energie než tradiční typy paměti. Existovala však velká překážka: jak vědci zmenšovali rozměry zařízení, materiály často ztrácely své ferroelektrické vlastnosti, což vedlo k degradaci výkonu. Toto omezení zastavilo další miniaturizaci na desetiletí.
Průlom s oxidem hafniem
Cesta vpřed se otevřela v roce 2011 poté, co bylo zjištěno, že oxid hafnium — materiál již široce používaný při výrobě polovodičů — si zachovává své ferroelektrické vlastnosti i při nanometrové tloušťce.
Na základě tohoto objevu profesor Jutaka Maijima a jeho tým z Science Tokyo zkonstruovali paměťové zařízení o šířce pouhých 25 nanometrů — to je přibližně jedna třítisícina tloušťky lidského vlasu. Tato extrémní miniaturizace se stala nejen inženýrským výkonem, ale také strategickým krokem k překonání přetrvávajícího technického problému: elektrického úniku.
Řešení problému úniku
V ultra malých zařízeních elektřina často prosakuje přes hranice mezi malými krystaly uvnitř materiálu. Tyto” hranice zrn ” historicky bránily vytváření kompaktnějších a efektivnějších paměťových čipů.
Místo toho, aby se vědci pokusili tyto hranice zcela odstranit, použili neidentifikovatelný přístup:
* * * Extrémní miniaturizace: * * díky tomu, že zařízení bylo dostatečně malé, snížilo celkový dopad hranic zrn na výkon.
* * * Nová struktura elektrod: * * vyvinuli novou metodu ohřevu elektrod, díky které získali přirozený půlkruhový tvar. Taková struktura napodobuje monokrystal a výrazně snižuje počet hranic, kde by mohlo dojít k úniku.
Výsledkem bylo zařízení, které nejen fungovalo na nano úrovni, ale také fungovalo lépe než jeho větší protějšky. To vyvrací obecně přijímaný názor, že menší elektronika nevyhnutelně trpí vysokou mírou chyb a nestability.
Proč je to důležité pro budoucí technologie
Tento průlom má hluboké důsledky pro budoucnost spotřební elektroniky a umělé inteligence:
-
-
- Zvýšená výdrž baterie: * * zařízení, jako jsou chytré hodinky a sluchadla, budou moci pracovat měsíce na jedno nabití, což eliminuje potřebu časté výměny nebo dobíjení.
-
-
-
- Rozšíření Internetu věcí (IoT):** sítě propojených senzorů v “chytrých” městech nebo průmyslových zařízeních budou moci fungovat neomezeně bez údržby, protože spotřebovávají minimum energie.
-
-
-
- Energeticky účinná umělá inteligence: * * systémy umělé inteligence, které v současné době vyžadují obrovské náklady na zpracování dat, budou moci využít tuto nízkoenergetickou paměť k dosažení vyšší rychlosti při podílu současných nákladů na energii.
-
Což je důležité, protože oxid hafnium je již kompatibilní se stávajícími procesy výroby polovodičů, lze tuto technologii integrovat do současných výrobních linek, aniž by bylo nutné provést kompletní přestavbu odvětví.
Nový pohled na omezení
Profesor Jutaka Maijima popsal proces výzkumu jako” chůzi ve tmě ” a zpochybnil předpoklady, které se zdály být základními fyzikálními zákony. Tím, že tým vyvrátil myšlenku, že “méně znamená horší”, otevřel nové paradigma v materiálové vědě.
“Zpochybněním tradičních předpokladů a zkoumáním nových způsobů, jak tyto bariéry překonat, jsme byli schopni otevřít zcela novou perspektivu.”
Tento úspěch nejen zlepšuje výdrž baterie; přehodnocuje samotný potenciál miniaturizace. Jak tato technologie přechází z laboratoří do komerčních aplikací, slibuje budoucnost, ve které budou naše zařízení nejen výkonnější, ale také udržitelně účinná, čímž se sníží jak nepříjemnosti pro uživatele, tak dopad na životní prostředí.
