現(xiàn)代電子設(shè)備驅(qū)動(dòng)著從智能手機(jī)到衛(wèi)星的一切，但它們都面臨一個(gè)共同的瓶頸——熱。一旦溫度超過(guò)約200攝氏度，大多數(shù)設(shè)備就會(huì)開(kāi)始失效。幾十年來(lái)，這道熱障一直是工程領(lǐng)域最棘手的挑戰(zhàn)之一。

南加州大學(xué)的研究人員如今認(rèn)為，他們已經(jīng)找到了突破這一極限的方法。

2026年3月26日，一篇發(fā)表于《科學(xué)》期刊的研究揭示了這一突破。該研究由南加州大學(xué)維特比工程學(xué)院明謝伊電氣與計(jì)算機(jī)工程系暨南加州大學(xué)高級(jí)計(jì)算學(xué)院Arthur B. Freeman講席教授Joshua Yang領(lǐng)銜，團(tuán)隊(duì)發(fā)布了一種新型存儲(chǔ)器件，可在700攝氏度（約1300華氏度）的高溫下持續(xù)正常運(yùn)行。這一溫度超過(guò)了熔融巖漿，遠(yuǎn)超該類(lèi)技術(shù)此前所有已知記錄。器件沒(méi)有出現(xiàn)任何失效跡象，而700攝氏度僅僅是測(cè)試設(shè)備所能達(dá)到的最高溫度上限。

"你可以稱(chēng)之為一場(chǎng)革命，"Yang說(shuō)，"這是迄今為止最出色的高溫存儲(chǔ)器。"

專(zhuān)為極端高溫打造的憶阻器

這款新器件被稱(chēng)為憶阻器，是一種納米級(jí)元件，能夠同時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和執(zhí)行計(jì)算。其結(jié)構(gòu)類(lèi)似于一個(gè)微型層疊裝置，兩側(cè)各有一個(gè)電極，中間夾有一層薄薄的陶瓷層。

論文第一作者趙健采用鎢作為頂部電極，氧化鉿陶瓷作為中間層，石墨烯作為底層，構(gòu)建了這一器件。鎢是所有元素中熔點(diǎn)最高的金屬，而石墨烯作為單原子厚度的碳片，以其卓越的強(qiáng)度和耐熱性而著稱(chēng)。

這種組合帶來(lái)了驚人的性能表現(xiàn)。該器件在700攝氏度下無(wú)需刷新即可保存數(shù)據(jù)超過(guò)50小時(shí)，在該溫度下還經(jīng)受住了逾十億次開(kāi)關(guān)循環(huán)，工作電壓僅為1.5伏，速度達(dá)到數(shù)十納秒量級(jí)。

一項(xiàng)意外的突破

這一發(fā)現(xiàn)并非研究團(tuán)隊(duì)最初的計(jì)劃。他們最初嘗試制造一種不同的石墨烯基器件，結(jié)果并不如預(yù)期。然而在這一過(guò)程中，他們意外發(fā)現(xiàn)了令人驚喜的現(xiàn)象。

"坦率地說(shuō)，這是個(gè)意外，就像大多數(shù)發(fā)現(xiàn)一樣，"Yang說(shuō)，"如果能預(yù)測(cè)到，通常就不會(huì)令人驚喜，也可能不夠重要。"

深入研究揭示了該器件性能優(yōu)異的原因。在傳統(tǒng)電子設(shè)備中，熱量會(huì)導(dǎo)致頂部電極中的金屬原子緩慢遷移穿過(guò)陶瓷層，最終抵達(dá)底部電極，形成永久性導(dǎo)通路徑，造成器件短路并永久停留在導(dǎo)通狀態(tài)。

石墨烯則有效阻止了這一失效過(guò)程。Yang將石墨烯與鎢之間的相互作用比作油與水的關(guān)系——鎢原子一旦接近石墨烯表面，便無(wú)法附著其上，沒(méi)有穩(wěn)定的落腳點(diǎn)，只能隨之漂移，而非形成導(dǎo)電通路。這從根本上防止了短路的發(fā)生，使器件在極端高溫下依然保持正常功能。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)先進(jìn)的電子顯微鏡、光譜分析以及量子級(jí)模擬，證實(shí)了這一機(jī)制。通過(guò)深入理解原子界面處發(fā)生的過(guò)程，他們將一項(xiàng)意外發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為可指導(dǎo)未來(lái)設(shè)計(jì)的原理。具有類(lèi)似表面特性的其他材料或許也能被識(shí)別和應(yīng)用，有望推動(dòng)該技術(shù)向工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)展。

極端環(huán)境下的應(yīng)用前景

能在500攝氏度以上正常工作的電子設(shè)備，長(zhǎng)期以來(lái)一直是太空探索領(lǐng)域的目標(biāo)。以金星為例，其表面溫度約在這一水平，迄今為止所有著陸器均已在極端高溫中失效?，F(xiàn)有的硅基芯片根本無(wú)法在此類(lèi)環(huán)境中存活。

"我們現(xiàn)在已經(jīng)超過(guò)700攝氏度，而且我們認(rèn)為還可以更高，"Yang說(shuō)。

潛在應(yīng)用領(lǐng)域遠(yuǎn)不止太空任務(wù)。地?zé)崮芟到y(tǒng)需要能在深層地下正常運(yùn)行的電子設(shè)備，而那里的巖石溫度已高到可以發(fā)出紅熱光芒。核能與聚變系統(tǒng)同樣會(huì)讓設(shè)備暴露在強(qiáng)烈熱量中。即便在日常應(yīng)用場(chǎng)景中，耐久性也將大幅提升——一款額定工作溫度達(dá)700攝氏度的器件，面對(duì)汽車(chē)電子設(shè)備內(nèi)部通常高達(dá)125攝氏度左右的溫度，將表現(xiàn)出極強(qiáng)的穩(wěn)健性。

對(duì)人工智能意味著什么

除數(shù)據(jù)存儲(chǔ)外，這款器件還為人工智能提供了重要優(yōu)勢(shì)。許多AI系統(tǒng)高度依賴(lài)矩陣乘法——這是一種廣泛應(yīng)用于圖像識(shí)別和語(yǔ)言處理等任務(wù)的數(shù)學(xué)運(yùn)算。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)逐步完成這些計(jì)算，消耗大量能量。

憶阻器以截然不同的方式處理這一問(wèn)題。通過(guò)利用歐姆定律（電壓乘以電導(dǎo)等于電流），器件在電流流通時(shí)直接完成計(jì)算，結(jié)果即以測(cè)量電流的形式即時(shí)輸出。

"在ChatGPT這類(lèi)AI系統(tǒng)中，超過(guò)92%的計(jì)算都是矩陣乘法，"Yang說(shuō)，"這種類(lèi)型的器件能夠以最高效的方式完成這些運(yùn)算，速度快出數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)，能耗也更低。"

Yang與論文的三位共同作者（夏強(qiáng)飛、胡淼和葛寧）已聯(lián)合創(chuàng)辦了一家名為T(mén)etraMem的公司，致力于將基于憶阻器的AI芯片商業(yè)化（面向常溫環(huán)境）。他們的實(shí)驗(yàn)室已在使用TetraMem的工作芯片執(zhí)行機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)。本次研究中描述的高溫版本，有望將這些能力延伸至傳統(tǒng)電子設(shè)備無(wú)法運(yùn)行的極端環(huán)境，使航天器或工業(yè)傳感器等設(shè)備能夠直接在現(xiàn)場(chǎng)處理數(shù)據(jù)。

從實(shí)驗(yàn)室原型到現(xiàn)實(shí)應(yīng)用

盡管研究結(jié)果令人振奮，Yang仍強(qiáng)調(diào)實(shí)際應(yīng)用距離落地尚有一段距離。存儲(chǔ)器只是完整計(jì)算系統(tǒng)的一部分，高溫邏輯電路同樣需要開(kāi)發(fā)和集成。此外，目前的器件是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中以極小規(guī)模手工制造的，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)仍需時(shí)日。

"這只是第一步，"Yang說(shuō)，"路還很長(zhǎng)。但從邏輯上看，現(xiàn)在它已經(jīng)成為可能——那塊缺失的拼圖已經(jīng)被找到了。"

從制造角度來(lái)看，器件中使用的兩種材料——鎢和氧化鉿——已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體生產(chǎn)。石墨烯雖屬新興材料，但臺(tái)積電、三星等大型企業(yè)正在積極推進(jìn)其研發(fā)，并已在研究環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了晶圓級(jí)的生產(chǎn)。

邁向全新前沿

這項(xiàng)研究通過(guò)CONCRETE中心（極端環(huán)境下神經(jīng)形態(tài)計(jì)算中心，英文全稱(chēng)Center of Neuromorphic Computing under Extreme Environments）開(kāi)展，該中心是一個(gè)多大學(xué)卓越中心，由南加州大學(xué)牽頭，獲美國(guó)空軍科學(xué)研究辦公室與空軍研究實(shí)驗(yàn)室支持。核心實(shí)驗(yàn)工作由美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室材料實(shí)驗(yàn)室Sabyasachi Ganguli博士團(tuán)隊(duì)在俄亥俄州代頓市完成，理論分析則由南加州大學(xué)研究人員與日本熊本大學(xué)的合作者共同完成。

對(duì)Yang而言，在《科學(xué)》雜志上發(fā)表這一成果，意義遠(yuǎn)超單項(xiàng)成就本身。

"太空探索從未像現(xiàn)在這樣真實(shí)、這樣近，而且規(guī)模如此之大，"他說(shuō)，"這篇論文代表著邁向一個(gè)更廣闊、更激動(dòng)人心的新前沿的關(guān)鍵跨越。"

Q&A

Q1：憶阻器為什么能在700攝氏度高溫下正常工作？

A：憶阻器能耐受700攝氏度高溫，關(guān)鍵在于其獨(dú)特的材料組合——頂部電極采用熔點(diǎn)最高的金屬鎢，底層則使用石墨烯。石墨烯與鎢之間類(lèi)似"油水不相融"的特性，阻止了鎢原子向底部電極遷移并形成短路通路的過(guò)程，從而使器件在極端高溫下依然保持正常功能，并在該溫度下實(shí)現(xiàn)了超過(guò)50小時(shí)的數(shù)據(jù)保留和逾十億次開(kāi)關(guān)循環(huán)。

Q2：憶阻器在A(yíng)I計(jì)算中有什么優(yōu)勢(shì)？

A：AI系統(tǒng)中超過(guò)92%的計(jì)算量來(lái)自矩陣乘法運(yùn)算。憶阻器利用歐姆定律，在電流流過(guò)器件時(shí)直接完成計(jì)算，結(jié)果以電流形式即時(shí)輸出，無(wú)需傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的逐步處理流程。這使其在執(zhí)行AI相關(guān)計(jì)算時(shí)，速度可快出數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)，能耗也顯著降低，對(duì)大語(yǔ)言模型等AI應(yīng)用具有重要價(jià)值。

Q3：憶阻器高溫芯片什么時(shí)候能實(shí)際商用？

A：目前該技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室原型階段，距離實(shí)際商用還有一定距離。完整的高溫計(jì)算系統(tǒng)不僅需要存儲(chǔ)器件，還需要配套的高溫邏輯電路。此外，現(xiàn)階段器件均為小規(guī)模手工制造，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模量產(chǎn)仍需時(shí)間。研究團(tuán)隊(duì)已創(chuàng)辦TetraMem公司推進(jìn)常溫憶阻器芯片的商業(yè)化，高溫版本有望在未來(lái)延伸至太空、地?zé)?、核能等極端場(chǎng)景。