Científicos de la USC crean un chip de memoria que funciona a 700 grados, más caliente que la lava

El dispositivo basado en grafeno sobrevive donde los chips convencionales se funden y abre la puerta a misiones espaciales en Venus, exploración geotérmica y una nueva generación de hardware para inteligencia artificial

Un equipo de investigadores de la Universidad del Sur de California (USC) ha desarrollado un dispositivo de memoria electrónica capaz de operar de manera confiable a 700 grados Celsius, una temperatura superior a la de la lava fundida y muy por encima del límite máximo que soportan los chips convencionales. El hallazgo, publicado el 26 de marzo en la revista Science, representa un avance revolucionario con implicaciones para la exploración espacial, la perforación terrestre profunda y el futuro del hardware de inteligencia artificial .

Los chips electrónicos que hoy equipan teléfonos, automóviles y satélites en órbita comparten una debilidad crítica: el calor. Superar los 200 grados Celsius provoca su fallo irreversible. Durante décadas, ese techo térmico ha sido uno de los muros más difíciles de sortear para la ingeniería. El dispositivo creado en USC no solo supera esa barrera, sino que lo hace con márgenes extraordinarios. Según los investigadores, los 700 grados no representaron el límite del dispositivo, sino la máxima temperatura que podía alcanzar su equipo de prueba .

“Podrías llamarlo una revolución”, declaró Joshua Yang, profesor de la Escuela de Ingeniería Viterbi de la USC y autor principal del estudio. “Es la memoria de alta temperatura más resistente jamás demostrada” .

Un sándwich atómico de materiales extremos

El dispositivo pertenece a la familia de los memristores, componentes a nanoescala que pueden almacenar información y realizar operaciones de computación simultáneamente. Su estructura es comparable a la de un pequeño sándwich: dos capas de electrodos en los extremos y un relleno cerámico en el medio .

Jian Zhao, primer autor del artículo, construyó este memristor utilizando una combinación de materiales elegidos específicamente por su resistencia a temperaturas extremas. La capa superior es de tungsteno, el metal con el punto de fusión más alto de todos los elementos. El centro es de óxido de hafnio, una cerámica ultrarresistente. En la base, una capa de grafeno, una lámina de carbono de un solo átomo de espesor, pariente cercano del diamante por su capacidad para soportar enormes temperaturas sin degradarse .

El resultado fue un dispositivo que mantuvo sus datos durante más de 50 horas a 700 grados sin necesidad de ser refrescado, sobrevivió a más de mil millones de ciclos de escritura y borrado a esa temperatura, y funcionó con apenas 1.5 voltios a velocidades de decenas de nanosegundos .

Un descubrimiento accidental con explicación atómica

Lo notable del hallazgo es que ocurrió por accidente. El equipo de Yang intentaba originalmente construir un dispositivo diferente utilizando grafeno y, en el proceso, se encontró con algo que no esperaban.

“Para ser honesto, fue por accidente, como ocurren la mayoría de los descubrimientos”, confesó Yang. “Si puedes predecirlo, generalmente no es sorprendente y probablemente no es lo suficientemente significativo” .

Al profundizar en el análisis, el equipo descifró por qué funcionaba. En un dispositivo convencional, el calor hace que los átomos metálicos del electrodo superior migren lentamente a través de la capa cerámica hasta alcanzar el electrodo inferior. Cuando eso ocurre, ambos lados se conectan permanentemente, provocando un cortocircuito que deja el dispositivo inutilizable .

El grafeno interrumpe ese proceso. Su química de superficie con el tungsteno es, en palabras de Yang, “como el aceite y el agua”. Los átomos de tungsteno que se desplazan hacia la superficie del grafeno no encuentran un punto de anclaje. Sin nada que los fije, se alejan. Sin anclaje, no hay cortocircuito. Sin cortocircuito, no hay fallo .

El equipo no se limitó a observar el efecto. Mediante microscopía electrónica avanzada, espectroscopía y simulaciones computacionales a nivel cuántico, lograron comprender exactamente lo que ocurre en la interfaz atómica entre el grafeno y el tungsteno. Ese entendimiento mecánico, según Yang, es lo que convierte un resultado afortunado en algo útil de manera general .

De Venus a los centros de datos de IA

Las aplicaciones potenciales de esta tecnología son múltiples y transformadoras. Las agencias espaciales han demandado durante mucho tiempo electrónica capaz de funcionar por encima de los 500 grados Celsius, aproximadamente la temperatura superficial de Venus, un planeta que ha derrotado a todas las misiones de aterrizaje enviadas hasta la fecha. Los chips de silicio actuales fallan a una fracción de esa temperatura .

“Ahora estamos por encima de los 700 grados y sospechamos que llegará más lejos”, afirmó Yang .

Los usos se extienden mucho más allá de la exploración planetaria. La perforación terrestre profunda para obtener energía geotérmica requiere equipos electrónicos que sobrevivan en entornos donde la roca circundante brilla al rojo vivo. Los sistemas de energía nuclear y de fusión generan un calor intenso cerca de sus equipos de control. Incluso para aplicaciones cotidianas, existe un beneficio práctico: un dispositivo diseñado para 700 grados es prácticamente indestructible en los picos de 125 grados que los ordenadores de los automóviles soportan rutinariamente .

Lo que significa para la inteligencia artificial

Más allá del almacenamiento de memoria, el dispositivo posee una segunda capacidad que lo hace particularmente relevante para la inteligencia artificial. La operación central en casi cualquier tarea de IA, desde el reconocimiento de imágenes hasta el procesamiento del lenguaje, implica un cálculo matemático denominado multiplicación de matrices. Los ordenadores digitales actuales lo realizan de forma secuencial, paso a paso, consumiendo enormes cantidades de energía en el proceso .

Un memristor lo hace de manera diferente. Aprovechando la ley de Ohm, donde el voltaje multiplicado por la conductancia es igual a la corriente, el dispositivo realiza la multiplicación físicamente en el instante en que la electricidad fluye a través de él. La respuesta es simplemente la corriente que se mide .

“Más del 92 por ciento de la computación en sistemas de IA como ChatGPT no es más que multiplicación de matrices”, explicó Yang. “Este tipo de dispositivo puede realizarla de la manera más eficiente, órdenes de magnitud más rápido y con menor energía” .

Con tres coautores del artículo, Yang ya cofundó una empresa emergente, TetraMem, que está comercializando chips de memristores para computación de IA a temperatura ambiente. Su laboratorio ya cuenta con chips funcionales que los estudiantes utilizan a diario para ejecutar tareas de aprendizaje automático a velocidades y eficiencias que el hardware convencional no puede igualar. La versión de alta temperatura reportada en este estudio podría extender esa capacidad a lugares donde los chips convencionales no pueden llegar, permitiendo que una nave espacial, una sonda o un sensor industrial procesen datos en el lugar .

¿Qué tan lejos está un producto real?

Yang se cuida de no sobreestimar lo cerca que está ese futuro. La memoria por sí sola no constituye un ordenador completo. También será necesario desarrollar circuitos lógicos de alta temperatura que puedan integrarse junto a ella, y los dispositivos actuales fueron construidos manualmente a sub-microescala en un laboratorio. La ampliación de escala llevará tiempo .

“Este es el primer paso”, advirtió Yang. “Todavía queda un largo camino por recorrer. Pero lógicamente, se puede ver: ahora lo hace posible. La pieza que faltaba ha sido creada” .

En el frente de fabricación, dos de los tres materiales del dispositivo (tungsteno y óxido de hafnio) ya son estándar en las fundiciones de semiconductores de todo el mundo. El grafeno es más reciente en la industria, pero tanto TSMC como Samsung lo tienen en sus hojas de ruta de desarrollo, y ya ha sido cultivado a escala de oblea en entornos de investigación .

La investigación se llevó a cabo en el marco del CONCRETE Center, un centro multidisiversitario de excelencia liderado por Yang en USC y patrocinado por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de Estados Unidos y el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea. Para Yang, el hecho de que Science aceptara el artículo refleja algo más grande que los resultados de un solo laboratorio .

“La exploración espacial nunca ha sido tan real, tan cercana y a tan gran escala”, afirmó. “Este artículo representa un salto crítico hacia una frontera mucho más grande y emocionante” .