Các nhà nghiên cứu tại Đại học Phục Đán (Trung Quốc) ngày 17/4 ra mắt bộ nhớ flash nhanh nhất từ trước đến nay – có tên gọi “Poxiao” – với khả năng xóa và ghi lại dữ liệu chỉ trong 400 picôgiây (Một picôgiây bằng một phần nghìn tỷ giây).
Dù nguyên mẫu của thiết bị này chỉ lưu trữ rất ít dữ liệu (chỉ vài kilobyte), nhưng thiết kế đột phá của nó cho phép ghi và xóa dữ liệu nhanh gấp 100.000 lần so với các bộ nhớ flash hiện tại, mở ra tương lai các “bộ não AI” có thể đọc và ghi dữ liệu nhanh như cách chúng suy nghĩ.
Thành tựu này, được công bố trên tạp chí khoa học Nature, có thể sớm làm mờ ranh giới giữa bộ nhớ và khả năng tính toán trong máy tính.
Từ lâu, giới khoa học đã xem việc vượt qua giới hạn tốc độ lưu trữ là một trong những thách thức cốt lõi trong lĩnh vực vi mạch tích hợp – và cũng là một nút thắt kỹ thuật đang kìm hãm tiềm năng xử lý của AI.
Cấu trúc bộ nhớ hiện nay có nhiều hạn chế cố hữu. Bộ nhớ khả biến như SRAM và DRAM có tốc độ cao, nhưng lại hạn chế về dung lượng, tiêu tốn nhiều điện năng, chi phí sản xuất cao và mất dữ liệu khi mất điện.
Ngược lại, bộ nhớ bất biến như bộ nhớ flash có dung lượng lớn hơn, tiêu thụ ít điện và giữ được dữ liệu khi tắt nguồn, nhưng tốc độ lại rất chậm.
Mục tiêu của nhóm nghiên cứu là tăng tốc độ cho bộ nhớ flash – tận dụng lợi thế của nó nhưng khắc phục điểm yếu về tốc độ.
Đơn vị lưu trữ cơ bản của bộ nhớ flash là bóng bán dẫn cổng nổi, nơi các electron di chuyển vào và ra khỏi một vùng lưu trữ dưới tác động của điện áp để ghi dữ liệu.
“Trước đây, để tăng tốc độ cho bộ nhớ flash, người ta thường ‘làm nóng trước’ các electron – cho chúng tăng năng lượng trước khi vào ra vùng lưu trữ”, ông Liu Chunsen, trưởng nhóm dự án, giải thích trong báo cáo.
Tuy nhiên, theo các mô hình lý thuyết truyền thống, quá trình “làm nóng” này diễn ra rất chậm, và tồn tại một trần tốc độ khiến bộ nhớ flash không thể vượt qua .
“Đã 60 năm kể từ khi Bell Labs giới thiệu bóng bán dẫn cổng nổi. Nếu chúng tôi chỉ dựa vào các lý thuyết cũ hoặc thay đổi vật liệu, sẽ không thể có đột phá lớn. Vì vậy, nhóm chúng tôi đã chọn cách tiếp cận hoàn toàn mới”, ông Lưu nói.
Nhóm nghiên cứu đã phát triển phương pháp mới giúp electron chuyển trực tiếp từ trạng thái chậm sang nhanh mà không cần bước “làm nóng” như trước. Lý thuyết mới này – gọi là “phun hạt mang nóng tăng cường 2D” – mở đường cho việc tạo ra nguyên mẫu đầu tiên.
Trong các thử nghiệm, tốc độ xóa và ghi đạt 400 picôgiây – nhanh hơn cả bộ nhớ khả biến nhanh nhất hiện nay là SRAM, nếu so cùng cấp độ công nghệ. So với tốc độ hàng trăm microgiây của bộ nhớ flash thông thường, tốc độ nhanh hơn 100.000 lần.
Theo báo cáo, đây là công nghệ lưu trữ bán dẫn nhanh nhất thế giới hiện nay, đạt tốc độ lưu trữ và xử lý dữ liệu ngang nhau. Khi được mở rộng sản xuất hàng loạt, công nghệ này có thể làm thay đổi hoàn toàn cấu trúc lưu trữ hiện tại.
“Với công nghệ này, trong tương lai, máy tính cá nhân có thể không cần phân biệt giữa bộ nhớ và ổ lưu trữ ngoài. Sẽ không còn cần đến hệ thống lưu trữ phân cấp, và có thể triển khai các mô hình AI lớn ngay tại máy”, báo cáo cho biết.
Các nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu về thiết bị bộ nhớ flash từ năm 2015. Đến năm 2021, họ đưa ra mô hình lý thuyết đầu tiên và năm ngoái, họ đã phát triển thành công thiết bị flash siêu nhanh có chiều dài kênh chỉ 8 nanomet – vượt qua giới hạn kích thước vật lý của bộ nhớ flash dựa trên silicon là khoảng 15 nanomet.
Hiện tại, thiết bị bộ nhớ “Poxiao” đang được đưa vào giai đoạn sản xuất. Kết hợp với công nghệ CMOS, con chip đã được chế tạo thành công ở mức dung lượng kilobyte.
Trong vòng 5 năm tới, nhóm hy vọng có thể mở rộng thiết bị lên đến hàng chục megabyte, được cấp phép và sẵn sàng đưa ra thị trường.
Bạn đang xem bài viết Trung Quốc ra mắt ổ cứng nhanh nhất thế giới tại chuyên mục Nghiên cứu Khoa học của Gia Đình Mới, tạp chí chuyên ngành phổ biến kiến thức, kỹ năng sống nhằm xây dựng nếp sống gia đình văn minh, tiến bộ, vì bình đẳng giới. Tạp chí thuộc Viện Nghiên cứu Giới và Phát triển (Liên Hiệp Các Hội Khoa học Kỹ thuật Việt Nam), hoạt động theo giấy phép 292/GP-BTTTT. Bài viết cộng tác về các lĩnh vực phụ nữ, bình đẳng giới, sức khỏe, gia đình gửi về hòm thư: bankhoahoc@giadinhmoi.vn.
