El memristor de grafeno

Lo que ha presentado la University of Southern California es algo bastante increíble, y no, no es simplemente un chip capaz de soportar temperaturas extremas, sino una demostración sólida de memoria no volátil operando en un rango donde la electrónica convencional no es fiable por motivos obvios. Su Memristor (sí, así se llama este tipo de chip) se mantiene funcionando a 700 °C, muy por encima del umbral en el que muchos componentes tradicionales empiezan a degradarse, que normalmente es alrededor de los 200 °C. ¿Cómo es posible y qué tiene de nuevo?

El detalle clave y más llamativo es evidente, la temperatura, porque esos 700 °C no marcaron el fallo del dispositivo, sino el límite del equipo con el que pudieron evaluarlo. Tal es el calor que se equipara a la lava de un volcán, pero, ¿qué clase de chip podría aguantar tal barbaridad? ¿De qué está hecho, de adamantium?

Memristor, el chip fabricado con grafeno, tungsteno y óxido de hafnio para soportar temperaturas imposibles

El trabajo apareció en Science y, según los autores, representa la temperatura de operación más alta reportada hasta ahora para una memoria resistiva no volátil de este tipo. La arquitectura del dispositivo también explica buena parte del resultado. La pila está formada por tungsteno como electrodo superior, óxido de hafnio como capa de conmutación y grafeno como electrodo inferior.

Jian Zhao, primer autor del estudio, fabricó dispositivos con dimensiones que iban desde 200 nm por 1 μm hasta 1 μm por 1 μm. Según dicen, en los ensayos, mantuvieron una relación ON/OFF superior a tres órdenes de magnitud desde temperatura ambiente hasta 700 °C. Además, conservaron ambos estados de memoria durante más de 50 horas sin refresco y, en una serie de 30 dispositivos, la retención media alcanzó unas 145 horas, con valores entre 130 y 170 horas. A eso se suman más de 1.000 millones de ciclos de conmutación a 700 °C, tensiones cercanas a 1,5 V y pulsos de unos 30 ns.

El punto más interesante del trabajo está en el mecanismo físico que evita el fallo del chip de memoria. En configuraciones más convencionales, el calor favorece que los átomos del electrodo superior atraviesen el óxido y terminen generando un cortocircuito permanente, dejando la memoria atascada en el estado ON.

El tungsteno como unión molecular

Eso fue exactamente lo que ocurrió en el dispositivo de control con platino como electrodo inferior, es decir, tras un “recocido” a 800 °C, quedó fijado en ON. Con grafeno, en cambio, el comportamiento fue distinto. El equipo lo analizó mediante microscopía electrónica de alta resolución, EDS, EELS y simulaciones de primeros principios, y concluyó que el tungsteno se adhiere y se estabiliza mucho peor sobre grafeno que sobre Pt(111), es decir, el platino con orientación cristalográfica 111 según los índices de Miller.

En la práctica, eso limita la migración que acaba destruyendo el dispositivo. De hecho, calcularon que la difusión superficial del tungsteno sobre platino era unas 1.000 veces mayor que sobre grafeno. Sin duda, es bastante impresionante.

El estudio también aporta señales de escalado y de uso en computación en memoria. A 700 °C consiguieron programar 32 estados distintos de resistencia y mantuvieron una respuesta corriente-voltaje con coeficientes de correlación superiores a 0,995 en 16 estados representativos entre 0 y 0,5 V. Si esto ya no fuese impresionante dadas las circunstancias de estrés, además, fabricaron una matriz crossbar de 32 por 32, es decir, 1K, en configuración de dos hilos.

Condiciones extremas que ningún chip de memoria puede aguantar

Tras el electroforming, 6 dispositivos quedaron bloqueados en ON y el rendimiento inicial fue del 81,25 %. El grupo relaciona este avance con aplicaciones de IA porque, según Joshua Yang, más del 92% del cómputo en sistemas como ChatGPT se basa en multiplicación de matrices.

Aun así, los propios autores dejan claro que no se trata de un producto listo para llegar al mercado: la memoria por sí sola no basta, todavía faltan circuitos lógicos capaces de trabajar a alta temperatura y, además, estos chips Memristor se han fabricado de forma manual a escala submicrométrica.

Donde realmente encaja este trabajo es en entornos extremos. Por encima de 500 °C entran en juego escenarios como Venus, la perforación geotérmica profunda, sistemas nucleares, fusión o sensores industriales avanzados, donde el silicio convencional simplemente deja de ser viable, falla o se derrite.

Ahí es donde este Memristor cobra sentido: no como un componente para electrónica de consumo, sino como una pieza de memoria no volátil y computación en memoria diseñada para operar allí donde la electrónica actual no puede hacerlo.

Fuente: EL chapuzas informatica