Tänapäevaste elektroonikaseadmete tööd piirab karm füüsikaline paratamatus. Nii nutitelefonide, autokompuutrite kui ka Maa orbiidil tiirlevate satelliitide ränikiibid lakkavad töötamast, kui nende temperatuur tõuseb üle 200 Celsiuse kraadi. Ajakirjas Science ilmunud uuringus esitletud kiibi taluvuspiir ületas aga 700 kraadi. Täpne murdepunkt jäigi teadmata, sest inseneride laboriaparatuur ei suutnud kõrgemat temperatuuri saavutada.

Taolist kuumakindlust on pikalt oodanud muu hulgas kosmoseagentuurid. Päikesesüsteemi uurimisel on üks suuremaid proovikive on tänapäevani Veenus, mille ligi 500-kraadine pinnatemperatuur hävitab kõik sinna saadetud maandurid loetud tundidega.

Lisaks kosmose vallutamisele painab tehnoloogiamaailma mure tehisintellekti voolutarbe pärast. Populaarsete keelemudelite, nagu ChatGPT, tööst moodustab üle 92 protsendi maatrikskorrutisena tuntud matemaatiline tehe. Tavalised digitaalsed arvutid lahendavad neid tehteid samm-sammult. Pidev andmevahetus mälu ja protsessori vahel kulutab märkimisväärselt aega ja energiat.

Lõuna-California Ülikooli töörühm eesotsas Joshua Yangiga otsis abi mälutakistist ehk memristorist. Erinevalt tavalisest mälust suudab mälutakisti arvutusi teha füüsilisel tasandil Ohmi seaduse abil. Komponent salvestab andmeid takistuse kujul ja sooritab tehte samas kohas, kus asub info. Hoolimata potentsiaalist pole aga memristorid seni laialdast kasutust leidnud.

Muutused takistuses sõltuvad ioonide rändest, mis muudab kiibid temperatuuritundlikuks. Temperatuuri tõustes hakkavad pealmise metallikihi aatomid liikuma ja triivivad läbi isoleeriva keraamilise kihi alumise elektroodini. Lõpuks tekib kahe poole vahel lühis ja seade läheb pöördumatult rikki. Lisaks töökindluse puudumisele valmistab inseneridele peavalu tootmisprotsess. Materjalide vahele on vaja luua siledaid piirpindu, mida on tavaliste meetoditega raske saavutada.

Töörühm lahendas probleemid uudse kihilise struktuuriga. Teadlased valmistasid pealmise kihi volframist, millel on elementidest kõrgeim sulamistemperatuur. Keskmise osa moodustab keraamiline hafniumoksiid ja kõige alumiseks asetasid insenerid ühe aatomi paksuse süsinikulehe ehk grafeeni. Lisatud grafeenikiht peatas aatomite rände pea täielikult. Kvantsimulatsioonid osutasid, et volframi ja grafeeni vaheline tõmme on väga nõrk, sarnanedes vee ja õli kihistumisele.

Ilma ankrupaigata triivisid aatomid grafeenist eemale, mistõttu lühist ei tekkinud. Uudne seade hoidis 700-kraadises kuumuses andmeid edukalt üle 50 tunni, ilma et insenerid oleks pidanud neid üle kirjutama. Kiip pidas kõrgel temperatuuril vastu rohkem kui miljard lülitustsüklit, ületades sellega ka tavapäraseid toatemperatuuril töötavaid SSD-kettaid ja välkmälusid.

Viimaks suutis kiip hoida 32 erinevat juhtivuse taset. Näitaja esindab tehisintellekti arvutusmudelites ühte arvu ehk kaalu. Arvutuse tegemiseks muudavad insenerid teise arvu pingeks ja juhivad selle läbi programmeeritud seadme. Tekkiv voolutugevus ongi matemaatiline vastus.

Suuremate tehete tegemiseks paigutavad teadlased tuhanded komponendid ristvõresse. Pinget korraga mitmesse ritta suunates teeb iga element oma korrutustehte ja tulpades olevad voolutugevused liituvad automaatselt. Yangi hinnangul võimaldaks teha lahenduses arvutusi praegusest märksa kiiremini ja tarbides ühtlasi vähem energiat.

Kuigi testkiip töötas veatult enam kui 80 protsendil puhkudest, nentis töörühm, et täisväärtusliku arvuti loomiseni seisab ees pikk teekond. Osa testkiibi komponente kiilus lülituste järel püsivalt kinni, sest kaotasid kuumuse tõttu hapnikku. Samuti langes 700-kraadises kuumuses väga pika aja jooksul seadmete vastupidavus.

Aja möödudes tungisid volframiaatomid vähehaaval keraamilisse kihti ja viisid kiibi lõpuks ikkagi rikkeni. Töötava süsteemi ehitamiseks peavad arendajad lisaks mälule integreerima seadmele kuumakindlad loogikaahelad. Viimaks panid uurijad esimesed katseeksemplarid kokku käsitsi, mis muudab kiipide laialdase tootmise hetkel keeruliseks, isegi kui nad kasutasid juba elektroonikatööstuses levinud materjale.