Ổ cứng nhanh nhất thế giới nhỏ hơn hạt gạo, có khả năng xóa và ghi lại dữ liệu nhanh gấp 100.000 lần

Trong bối cảnh thế giới đang chạy đua phát triển trí tuệ nhân tạo (AI) tiên tiến, các nhà khoa học Trung Quốc đã giải mã được tốc độ bộ nhớ từng bị coi là bất khả thi, bằng thiết bị nhỏ hơn cả hạt gạo.

Hôm 18.4, các nhà nghiên cứu tại Đại học Phúc Đán (Trung Quốc) đã công bố Poxiao (Bình Minh), thiết bị bộ nhớ flash nhanh nhất từng được tạo ra, có thể xóa và ghi dữ liệu trong vòng 400 picosecond. 1 picosecond là một phần nghìn tỉ của 1 giây.

Dù nguyên mẫu hiện tại chỉ lưu được vài kilobyte, vừa đủ để hiển thị bài viết này, nhưng thiết kế đột phá của Poxiao đã phá vỡ rào cản tốc độ lưu trữ hiện đại gấp 100.000 lần, mở ra tương lai nơi "bộ não AI" có thể đọc và ghi dữ liệu nhanh như tốc độ tư duy.

Được công bố trên tạp chí Nature, bước tiến này trong vật lý điện tử có thể sớm làm mờ ranh giới giữa bộ nhớ và khả năng tính toán.

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Phúc Đán cho biết đã vượt qua giới hạn về tốc độ lưu trữ thông tin với Poxiao - Ảnh minh họa

Vượt qua giới hạn tốc độ lưu trữ thông tin từ lâu đã là một trong những thách thức cơ bản nhất trong lĩnh vực vi mạch tích hợp (IC) và cũng là nút thắt kỹ thuật chính kìm hãm tiềm năng sức mạnh điện toán của AI.

Kiến trúc lưu trữ hiện nay tồn tại nhiều hạn chế cố hữu. Trong khi bộ nhớ dễ mất dữ liệu như SRAM và DRAM mang đến tốc độ cao, chúng lại có dung lượng thấp, tiêu thụ nhiều điện, chi phí sản xuất cao và mất dữ liệu khi mất điện. Ngược lại, bộ nhớ không mất dữ liệu (bộ nhớ điện tĩnh hay bộ nhớ bất biến) như flash có dung lượng lớn hơn, tiêu thụ ít điện và lưu trữ dữ liệu bền bỉ, nhưng lại chậm hơn nhiều về tốc độ.

Nhóm nghiên cứu đặt mục tiêu tăng tốc bộ nhớ flash, tận dụng ưu điểm sẵn có, đồng thời giải quyết hạn chế về tốc độ.

Đơn vị lưu trữ cơ bản của bộ nhớ flash là transistor (bóng bán dẫn) cổng nổi, nơi các electron di chuyển vào và ra khỏi vùng lưu trữ dưới tác động của điện áp, cho phép ghi dữ liệu. “Trước đây, để tăng tốc, người ta tăng tốc cho electron trước khi chúng đi vào hoặc rời khỏi vùng lưu trữ”, Liu Chunsen, trưởng dự án nghiên cứu, phát biểu trong thông cáo từ Đại học Phúc Đán.

Song theo các mô hình lý thuyết truyền thống, quá trình “làm nóng” này diễn ra chậm và tồn tại giới hạn tốc độ, khiến flash không thể vượt qua rào cản lý thuyết.

“Đã 60 năm kể từ khi Bell Labs giới thiệu transistor cổng nổi. Nếu chúng ta cứ bám vào lý thuyết cũ hoặc chỉ trông chờ thay đổi vật liệu, sẽ không thể đạt đột phá. Đó là lý do vì sao chúng tôi tập trung phát triển hướng đi hoàn toàn mới”, Liu Chunsen thổ lộ.

Các nhà nghiên cứu đã đưa ra một phương pháp mới để tăng tốc bộ nhớ flash, cho phép electron chuyển trực tiếp từ trạng thái tốc độ thấp sang cao mà không cần giai đoạn “làm nóng”. Lý thuyết mới này gọi là 2D-enhanced hot-carrier injection, đã dẫn đến sự ra đời của nguyên mẫu Poxiao.

Trong các thử nghiệm, tốc độ xóa-ghi của Poxiao đạt 400 picosecond, vượt qua cả bộ nhớ dễ mất dữ liệu nhanh nhất thế giới hiện nay là SRAM ở cùng mức công nghệ. So với tốc độ vài trăm microsecond của flash thông thường, Poxiao nhanh hơn tới hơn 100.000 lần.

Theo bài viết trên trang web của Đại học Phúc Đán, đây là công nghệ lưu trữ bán dẫn nhanh nhất thế giới tính đến hiện tại, đạt được tốc độ lưu trữ và tính toán ngang nhau. “Khi mở rộng quy mô sản xuất hàng loạt, nó được kỳ vọng sẽ làm thay đổi hoàn toàn kiến trúc lưu trữ hiện nay”, theo bài viết.

“Dựa trên công nghệ này, trong tương lai, máy tính cá nhân có thể không còn cần phân biệt giữa bộ nhớ và lưu trữ ngoài, xóa bỏ hệ thống lưu trữ phân tầng và cho phép triển khai cục bộ các mô hình AI lớn”, trích nội dung bài viết.

Nhóm nghiên cứu đã bắt đầu tìm hiểu thiết bị bộ nhớ flash từ năm 2015. Năm 2021, họ đưa ra mô hình lý thuyết ban đầu và năm ngoái đã phát triển thiết bị flash siêu nhanh với chiều dài kênh chỉ 8 nanomet, vượt qua giới hạn kích thước vật lý của bộ nhớ flash dựa trên silicon (khoảng 15 nanomet).

Poxiao hiện đang tiến tới giai đoạn sản xuất. Kết hợp với công nghệ CMOS, Poxiao đã được chế tạo thành công ở cấp độ kilobyte.

Trong vòng 5 năm tới, nhóm nghiên cứu hy vọng có thể mở rộng quy mô lên hàng chục megabyte, được cấp phép và sẵn sàng đưa ra thị trường.

Sơn Vân