Ein hitzebeständiger Chip, der 1300 °F übersteht, könnte sowohl die Technologie für extreme Umgebungen als auch die KI revolutionieren.
Von Smartphones bis hin zu Satelliten – moderne Elektronik unterliegt allen denselben Einschränkungen. Hitze. Sobald die Temperaturen über etwa 200 Grad steigenCelsius, die Leistung nimmt ab und es kommt bald zum Ausfall. Ingenieure haben jahrzehntelang versucht, über diese Grenze hinauszugehen, jedoch mit wenig Erfolg.
Nun glauben Forscher der University of Southern California, einen großen Schritt nach vorne gemacht zu haben.
In einer am 26. März 2026 veröffentlichten Studie inWissenschaft, ein Team unter der Leitung von Joshua Yang, Arthur B. Freeman Chair Professor am Ming Hsieh Department of Electrical and Computer Engineering derUSCDie Viterbi School of Engineering und die USC School of Advanced Computing stellten ein neues Speichergerät vor, das auch bei 700 Grad Celsius (ca. 1300 Grad) weiterbetrieben wirdFahrenheit. Das ist heißer als geschmolzene Lava und liegt weit außerhalb der Grenzen bestehender Technologien. Das Gerät zeigte während des Tests keine Anzeichen eines Ausfalls. Tatsächlich waren 700 Grad einfach die höchste Temperatur, die ihre Ausrüstung erreichen konnte.
„Man könnte es eine Revolution nennen“, sagte Yang. „Es ist der beste Hochtemperaturspeicher, der jemals gezeigt wurde.“
Ein hitzebeständiges Memristor-Design
Die neue Technologie ist ein Memristor, einnanoskaligKomponente, die sowohl Informationen speichern als auch Berechnungen durchführen kann. Strukturell ähnelt es einem winzigen Schichtstapel mit zwei Elektroden, die eine dünne Keramikschicht umgeben.
Jian Zhao, der Erstautor der Arbeit, konstruierte das Gerät mit Wolfram als oberer Elektrode, Hafniumoxid als isolierender Mittelschicht undGraphenganz unten. Wolfram hat bekanntermaßen den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle, während Graphen, eine ein Atom dicke Kohlenstoffschicht, extrem stark und hitzebeständig ist.
Diese Kombination führte zu beeindruckenden Ergebnissen. Das Gerät behielt die gespeicherten Daten mehr als 50 Stunden lang bei 700 Grad bei, ohne dass eine Aktualisierung erforderlich war. Außerdem überstand es bei dieser Temperatur über eine Milliarde Schaltzyklen und arbeitete bei nur 1,5 Volt mit Geschwindigkeiten im Bereich von mehreren zehn Nanosekunden.
Eine zufällige Entdeckung
Der Durchbruch war nicht das ursprüngliche Ziel der Mannschaft. Sie hatten an einem anderen Design auf Graphenbasis gearbeitet, das jedoch nicht die erwartete Leistung erbrachte. Dabei stießen sie auf etwas Unerwartetes.
„Um ehrlich zu sein, war es ein Zufall, wie es bei den meisten Entdeckungen der Fall ist“, sagte Yang. „Wenn man es vorhersagen kann, ist es normalerweise nicht überraschend und wahrscheinlich nicht signifikant genug.“
Nach weiteren Untersuchungen fanden die Forscher den Grund für die Widerstandsfähigkeit des Geräts heraus. In der herkömmlichen Elektronik führen hohe Temperaturen dazu, dass Metallatome von der oberen Elektrode langsam durch die Isolierschicht wandern. Schließlich erreichen sie die untere Elektrode und stellen eine dauerhafte Verbindung her, wodurch das Gerät kurzgeschlossen wird und im eingeschalteten Zustand hängen bleibt.
Graphen verhindert, dass dies geschieht. Seine Wechselwirkung mit Wolfram ähnelt, wie Yang es beschrieb, der von Öl und Wasser. Wolframatome, die sich in Richtung der Graphenoberfläche bewegen, können sich nicht daran festsetzen. Ohne einen stabilen Punkt, an dem sie sich niederlassen können, bewegen sie sich weg, anstatt einen leitenden Pfad zu bilden. Dies verhindert die Entstehung eines Kurzschlusses und sorgt dafür, dass das Gerät auch bei extremer Hitze funktionsfähig bleibt.
Mithilfe von Elektronenmikroskopie, Spektroskopie und Simulationen auf Quantenebene bestätigte das Team genau, wie dieser Prozess auf atomarer Ebene funktioniert. Dieses tiefere Verständnis ermöglicht es den Forschern, andere Materialien mit ähnlichen Eigenschaften zu identifizieren, was die Herstellung der Technologie im großen Maßstab erleichtern könnte.
Anwendungen in extremen Umgebungen
Elektronik, die über 500 Grad Celsius betrieben werden kann, ist seit langem ein Ziel der Weltraumforschung.VenusBeispielsweise liegen die Oberflächentemperaturen in diesem Bereich, und frühere Missionen scheiterten teilweise daran, dass herkömmliche Elektronik der Hitze nicht standhalten konnte.
„Wir liegen jetzt über 700 Grad und wir vermuten, dass es noch weiter steigen wird“, sagte Yang.
Die Einsatzmöglichkeiten reichen weit über den Weltraum hinaus. Geothermiebohrungen erfordern Elektronik, die tief unter der Erde funktionieren kann, wo die Temperaturen extrem hoch sind. Auch Kern- und Fusionsanlagen setzen Geräte starker Hitze aus. Auch im alltäglichen Einsatz würde sich die Haltbarkeit deutlich verbessern. Ein für 700 Grad ausgelegter Chip wäre bei den Temperaturen von etwa 125 Grad, die in der Autoelektronik häufig auftreten, äußerst zuverlässig.
Ein neuer Ansatz für KI-Computing
Neben der Speicherung von Speicher könnte das Gerät dabei auch eine wichtige Rolle spielenkünstliche Intelligenz. Viele KI-Systeme basieren stark auf der Matrixmultiplikation, einer zentralen mathematischen Operation, die bei Aufgaben wie Bilderkennung und Sprachverarbeitung verwendet wird. Herkömmliche Computer führen diese Berechnungen Schritt für Schritt durch und verbrauchen dabei viel Energie.
Memristoren verfolgen einen anderen Ansatz. Mithilfe des Ohmschen Gesetzes, bei dem Spannung mal Leitfähigkeit gleich Strom ist, führt das Gerät Berechnungen direkt durch, während Strom durch es fließt. Das Ergebnis erhält man sofort durch Messung des Stroms.
„Über 92 Prozent der Rechenleistung in KI-Systemen wie ChatGPT ist nichts anderes als Matrixmultiplikation“, sagte Yang. „Diese Art von Gerät kann dies auf die effizienteste Art und Weise leisten, um Größenordnungen schneller und bei geringerem Energieverbrauch.“
Yang und drei Co-Autoren der Studie (Qiangfei Xia, Miao Hu und Ning Ge) haben bereits ein Unternehmen namens TetraMem gegründet, das an der Kommerzialisierung von Memristor-basierten Chips für KI arbeitet. Ihr Labor verwendet bereits funktionale Chips des Unternehmensmaschinelles LernenAufgaben. Die in dieser Studie beschriebene Hochtemperaturversion könnte diese Fähigkeiten auf Umgebungen ausweiten, in denen herkömmliche Elektronik nicht funktionieren kann, und es Geräten wie Raumfahrzeugen oder Industriesensoren ermöglichen, Daten direkt dort zu verarbeiten, wo sie eingesetzt werden.
Herausforderungen vor dem Einsatz in der Praxis
Trotz der vielversprechenden Ergebnisse befindet sich die Technologie noch in einem frühen Stadium. Yang betont, dass Speicher allein nicht ausreicht, um ein vollständiges Computersystem aufzubauen. Außerdem müssen Hochtemperatur-Logikschaltungen entwickelt und integriert werden. Darüber hinaus wurden die aktuellen Geräte manuell in sehr kleinen Maßstäben in einem Labor hergestellt, sodass die Ausweitung der Produktion einige Zeit in Anspruch nehmen wird.
„Das ist der erste Schritt“, sagte Yang. „Es ist noch ein langer Weg. Aber logischerweise sieht man: Jetzt ist es möglich. Das fehlende Bauteil ist gemacht.“
Aus fertigungstechnischer Sicht werden zwei der im Gerät verwendeten Materialien, Wolfram und Hafniumoxid, bereits häufig in der Halbleiterproduktion eingesetzt. Graphen ist neuer, wird aber von großen Unternehmen wie TSMC und Samsung aktiv weiterentwickelt und in Forschungseinrichtungen bereits im Wafer-Maßstab hergestellt.
Ein Schritt in Richtung zukünftiger Erforschung
Die Forschung wurde vom CONCRETE Center durchgeführt, kurz für Center of Neuromorphic Computing under Extreme Environments, einem multiuniversitären Kompetenzzentrum unter der Leitung des USC, das vom Air Force Office of Scientific Research und dem Air Force Research Laboratory unterstützt wird. Wichtige experimentelle Arbeiten wurden in Zusammenarbeit mit dem Team von Dr. Sabyasachi Ganguli am AFRL Materials Lab in Dayton, Ohio, durchgeführt. An der theoretischen Analyse waren USC-Forscher und Mitarbeiter der Universität Kumamoto in Japan beteiligt.
Für Yang geht die Bedeutung der Arbeit über ein einzelnes Gerät hinaus.
„Die Erforschung des Weltraums war noch nie so real, so nah und in so großem Maßstab“, sagte er. „Dieses Papier stellt einen entscheidenden Sprung in ein viel größeres, aufregenderes Gebiet dar.“
Referenz: „Hochtemperatur-Memristoren durch Grenzflächentechnik“ von Jian Zhao, Cameron S. Jorgensen, Krishnamurthy Mahalingam, Cynthia Bowers, Wataru Sugimoto, Kai Ito, Seung Ju Kim, Ruoyu Zhao, Yikaun Xu, Han-Ting K. Kaoo, Shimamura, Fuyuki Shimojo, Priya Vashishta, Ajit K. Roy, Ning Ge, Miao Hu, R. Stanley Williams, Qiangfei Xia, Sabyasachi Ganguli und J. Joshua Yang, 26. März 2026,Wissenschaft.
DOI: 10.1126/science.aeb9934
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Ein hitzebeständiger Chip, der 1300 °F übersteht, könnte sowohl die Technologie für extreme Umgebungen als auch die KI revolutionieren.
Von Smartphones bis hin zu Satelliten – moderne Elektronik unterliegt allen denselben Einschränkungen. Hitze. Sobald die Temperaturen über etwa 200 Grad steigenCelsius, die Leistung nimmt ab und es kommt bald zum Ausfall. Ingenieure haben jahrzehntelang versucht, über diese Grenze hinauszugehen, jedoch mit wenig Erfolg.
Nun glauben Forscher der University of Southern California, einen großen Schritt nach vorne gemacht zu haben.
In einer am 26. März 2026 veröffentlichten Studie inWissenschaft, ein Team unter der Leitung von Joshua Yang, Arthur B. Freeman Chair Professor am Ming Hsieh Department of Electrical and Computer Engineering derUSCDie Viterbi School of Engineering und die USC School of Advanced Computing stellten ein neues Speichergerät vor, das auch bei 700 Grad Celsius (ca. 1300 Grad) weiterbetrieben wirdFahrenheit. Das ist heißer als geschmolzene Lava und liegt weit außerhalb der Grenzen bestehender Technologien. Das Gerät zeigte während des Tests keine Anzeichen eines Ausfalls. Tatsächlich waren 700 Grad einfach die höchste Temperatur, die ihre Ausrüstung erreichen konnte.
„Man könnte es eine Revolution nennen“, sagte Yang. „Es ist der beste Hochtemperaturspeicher, der jemals gezeigt wurde.“
Ein hitzebeständiges Memristor-Design
Die neue Technologie ist ein Memristor, einnanoskaligKomponente, die sowohl Informationen speichern als auch Berechnungen durchführen kann. Strukturell ähnelt es einem winzigen Schichtstapel mit zwei Elektroden, die eine dünne Keramikschicht umgeben.
Jian Zhao, der Erstautor der Arbeit, konstruierte das Gerät mit Wolfram als oberer Elektrode, Hafniumoxid als isolierender Mittelschicht undGraphenganz unten. Wolfram hat bekanntermaßen den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle, während Graphen, eine ein Atom dicke Kohlenstoffschicht, extrem stark und hitzebeständig ist.
Diese Kombination führte zu beeindruckenden Ergebnissen. Das Gerät behielt die gespeicherten Daten mehr als 50 Stunden lang bei 700 Grad bei, ohne dass eine Aktualisierung erforderlich war. Außerdem überstand es bei dieser Temperatur über eine Milliarde Schaltzyklen und arbeitete bei nur 1,5 Volt mit Geschwindigkeiten im Bereich von mehreren zehn Nanosekunden.
Eine zufällige Entdeckung
Der Durchbruch war nicht das ursprüngliche Ziel der Mannschaft. Sie hatten an einem anderen Design auf Graphenbasis gearbeitet, das jedoch nicht die erwartete Leistung erbrachte. Dabei stießen sie auf etwas Unerwartetes.
„Um ehrlich zu sein, war es ein Zufall, wie es bei den meisten Entdeckungen der Fall ist“, sagte Yang. „Wenn man es vorhersagen kann, ist es normalerweise nicht überraschend und wahrscheinlich nicht signifikant genug.“
Nach weiteren Untersuchungen fanden die Forscher den Grund für die Widerstandsfähigkeit des Geräts heraus. In der herkömmlichen Elektronik führen hohe Temperaturen dazu, dass Metallatome von der oberen Elektrode langsam durch die Isolierschicht wandern. Schließlich erreichen sie die untere Elektrode und stellen eine dauerhafte Verbindung her, wodurch das Gerät kurzgeschlossen wird und im eingeschalteten Zustand hängen bleibt.
Graphen verhindert, dass dies geschieht. Seine Wechselwirkung mit Wolfram ähnelt, wie Yang es beschrieb, der von Öl und Wasser. Wolframatome, die sich in Richtung der Graphenoberfläche bewegen, können sich nicht daran festsetzen. Ohne einen stabilen Punkt, an dem sie sich niederlassen können, bewegen sie sich weg, anstatt einen leitenden Pfad zu bilden. Dies verhindert die Entstehung eines Kurzschlusses und sorgt dafür, dass das Gerät auch bei extremer Hitze funktionsfähig bleibt.
Mithilfe von Elektronenmikroskopie, Spektroskopie und Simulationen auf Quantenebene bestätigte das Team genau, wie dieser Prozess auf atomarer Ebene funktioniert. Dieses tiefere Verständnis ermöglicht es den Forschern, andere Materialien mit ähnlichen Eigenschaften zu identifizieren, was die Herstellung der Technologie im großen Maßstab erleichtern könnte.
Anwendungen in extremen Umgebungen
Elektronik, die über 500 Grad Celsius betrieben werden kann, ist seit langem ein Ziel der Weltraumforschung.VenusBeispielsweise liegen die Oberflächentemperaturen in diesem Bereich, und frühere Missionen scheiterten teilweise daran, dass herkömmliche Elektronik der Hitze nicht standhalten konnte.
„Wir liegen jetzt über 700 Grad und wir vermuten, dass es noch weiter steigen wird“, sagte Yang.
Die Einsatzmöglichkeiten reichen weit über den Weltraum hinaus. Geothermiebohrungen erfordern Elektronik, die tief unter der Erde funktionieren kann, wo die Temperaturen extrem hoch sind. Auch Kern- und Fusionsanlagen setzen Geräte starker Hitze aus. Auch im alltäglichen Einsatz würde sich die Haltbarkeit deutlich verbessern. Ein für 700 Grad ausgelegter Chip wäre bei den Temperaturen von etwa 125 Grad, die in der Autoelektronik häufig auftreten, äußerst zuverlässig.
Ein neuer Ansatz für KI-Computing
Neben der Speicherung von Speicher könnte das Gerät dabei auch eine wichtige Rolle spielenkünstliche Intelligenz. Viele KI-Systeme basieren stark auf der Matrixmultiplikation, einer zentralen mathematischen Operation, die bei Aufgaben wie Bilderkennung und Sprachverarbeitung verwendet wird. Herkömmliche Computer führen diese Berechnungen Schritt für Schritt durch und verbrauchen dabei viel Energie.
Memristoren verfolgen einen anderen Ansatz. Mithilfe des Ohmschen Gesetzes, bei dem Spannung mal Leitfähigkeit gleich Strom ist, führt das Gerät Berechnungen direkt durch, während Strom durch es fließt. Das Ergebnis erhält man sofort durch Messung des Stroms.
„Über 92 Prozent der Rechenleistung in KI-Systemen wie ChatGPT ist nichts anderes als Matrixmultiplikation“, sagte Yang. „Diese Art von Gerät kann dies auf die effizienteste Art und Weise leisten, um Größenordnungen schneller und bei geringerem Energieverbrauch.“
Yang und drei Co-Autoren der Studie (Qiangfei Xia, Miao Hu und Ning Ge) haben bereits ein Unternehmen namens TetraMem gegründet, das an der Kommerzialisierung von Memristor-basierten Chips für KI arbeitet. Ihr Labor verwendet bereits funktionale Chips des Unternehmensmaschinelles LernenAufgaben. Die in dieser Studie beschriebene Hochtemperaturversion könnte diese Fähigkeiten auf Umgebungen ausweiten, in denen herkömmliche Elektronik nicht funktionieren kann, und es Geräten wie Raumfahrzeugen oder Industriesensoren ermöglichen, Daten direkt dort zu verarbeiten, wo sie eingesetzt werden.
Herausforderungen vor dem Einsatz in der Praxis
Trotz der vielversprechenden Ergebnisse befindet sich die Technologie noch in einem frühen Stadium. Yang betont, dass Speicher allein nicht ausreicht, um ein vollständiges Computersystem aufzubauen. Außerdem müssen Hochtemperatur-Logikschaltungen entwickelt und integriert werden. Darüber hinaus wurden die aktuellen Geräte manuell in sehr kleinen Maßstäben in einem Labor hergestellt, sodass die Ausweitung der Produktion einige Zeit in Anspruch nehmen wird.
„Das ist der erste Schritt“, sagte Yang. „Es ist noch ein langer Weg. Aber logischerweise sieht man: Jetzt ist es möglich. Das fehlende Bauteil ist gemacht.“
Aus fertigungstechnischer Sicht werden zwei der im Gerät verwendeten Materialien, Wolfram und Hafniumoxid, bereits häufig in der Halbleiterproduktion eingesetzt. Graphen ist neuer, wird aber von großen Unternehmen wie TSMC und Samsung aktiv weiterentwickelt und in Forschungseinrichtungen bereits im Wafer-Maßstab hergestellt.
Ein Schritt in Richtung zukünftiger Erforschung
Die Forschung wurde vom CONCRETE Center durchgeführt, kurz für Center of Neuromorphic Computing under Extreme Environments, einem multiuniversitären Kompetenzzentrum unter der Leitung des USC, das vom Air Force Office of Scientific Research und dem Air Force Research Laboratory unterstützt wird. Wichtige experimentelle Arbeiten wurden in Zusammenarbeit mit dem Team von Dr. Sabyasachi Ganguli am AFRL Materials Lab in Dayton, Ohio, durchgeführt. An der theoretischen Analyse waren USC-Forscher und Mitarbeiter der Universität Kumamoto in Japan beteiligt.
Für Yang geht die Bedeutung der Arbeit über ein einzelnes Gerät hinaus.
„Die Erforschung des Weltraums war noch nie so real, so nah und in so großem Maßstab“, sagte er. „Dieses Papier stellt einen entscheidenden Sprung in ein viel größeres, aufregenderes Gebiet dar.“
Referenz: „Hochtemperatur-Memristoren durch Grenzflächentechnik“ von Jian Zhao, Cameron S. Jorgensen, Krishnamurthy Mahalingam, Cynthia Bowers, Wataru Sugimoto, Kai Ito, Seung Ju Kim, Ruoyu Zhao, Yikaun Xu, Han-Ting K. Kaoo, Shimamura, Fuyuki Shimojo, Priya Vashishta, Ajit K. Roy, Ning Ge, Miao Hu, R. Stanley Williams, Qiangfei Xia, Sabyasachi Ganguli und J. Joshua Yang, 26. März 2026,Wissenschaft.
DOI: 10.1126/science.aeb9934
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