Trung Quốc tạo đột phá về chip với transistor 1 nanomet chạy điện áp thấp

Trong các quy trình sản xuất bán dẫn tiên tiến, điện áp hoạt động của chip logic đã được giảm xuống còn 0,7V để đạt được hiệu quả năng lượng cao. Tuy nhiên, bộ nhớ không khả biến phổ biến, chẳng hạn như NAND flash, trước đây yêu cầu 5V trở lên để hoàn thành các thao tác ghi.

Sự chênh lệch này buộc nhà thiết kế chip tích hợp thêm những mạch phức tạp để tăng hoặc giảm điện áp, nhằm cho phép các đơn vị logic và bộ nhớ có thể hoạt động cùng nhau. Điều này làm tăng mức tiêu thụ điện, chiếm thêm diện tích trên chip và tạo ra nút thắt trong quá trình truyền dữ liệu giữa bộ nhớ với bộ xử lý.

Trong các chip AI (trí tuệ nhân tạo) hiện nay, khoảng 60 - 90% tổng điện năng tiêu thụ không dành cho tính toán mà cho việc truyền dữ liệu. Đây được xem là một trong những rào cản lớn nhất khiến sức mạnh tính toán và hiệu quả năng lượng của AI khó cải thiện.

Đại học Bắc Kinh (Trung Quốc) vừa đạt được bước đột phá trong lĩnh vực bộ nhớ không khả biến. Nhóm nghiên cứu do Qiu Chenguang và Peng Lianmao dẫn đầu đã thu nhỏ thành công chiều dài cổng vật lý của một transistor sắt điện xuống 1 nanomet, tạo ra transistor sắt điện nhỏ nhất và tiêu thụ điện năng thấp nhất được ghi nhận cho đến nay.

Bước tiến này được kỳ vọng sẽ cung cấp hỗ trợ ở cấp độ thiết bị cốt lõi để nâng cao hiệu suất tính toán và hiệu quả năng lượng trong các chip AI thế hệ tiếp theo. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trực tuyến trên tạp chí Science Advances.

Nhóm nghiên cứu Đại học Bắc Kinh tạo ra transistor sắt điện nhỏ nhất và tiêu thụ điện năng thấp nhất đến nay - Ảnh: SV

Transistor sắt điện 1 nanomet hoạt động ở điện áp chỉ 0,6V

Qiu Chenguang và Peng Lianmao đã đề xuất một kiến trúc “transistor sắt điện siêu tiết kiệm năng lượng với cổng nano” hoàn toàn mới lần đầu tiên. Bằng cách khéo léo thiết kế cấu trúc thiết bị của bộ nhớ sắt điện và đưa vào hiệu ứng tập trung điện trường do cổng nano tạo ra, các nhà nghiên cứu đã phát triển một transistor sắt điện có khả năng hoạt động ở điện áp cực thấp chỉ 0,6V.

Thiết bị này đạt được mức tiêu thụ năng lượng thấp tới 0,45 fJ/μm và giảm chiều dài cổng vật lý xuống 1 nanomet, trở thành transistor sắt điện nhỏ nhất và tiết kiệm năng lượng nhất đến nay.

Thiết bị bộ nhớ dựa trên cơ chế vật lý mới đó mở ra những hướng đi đầy hứa hẹn cho các chip có kích thước dưới 1 nanomet và kiến trúc chip AI hiệu năng cao.

Transistor sắt điện lưu trữ dữ liệu thông qua chuyển mạch phân cực trong vật liệu sắt điện, được coi là một trong những công nghệ bộ nhớ bán dẫn triển vọng nhất trong kỷ nguyên hậu Moore.

Bằng cách tận dụng hai trạng thái phân cực ổn định và cấu trúc transistor ba cực, công nghệ này có tiềm năng tạo ra kiến trúc tính toán trong bộ nhớ không khả biến, cho phép tích hợp lưu trữ dữ liệu và xử lý tốc độ cao trong cùng một thiết bị.

Công nghệ đó được xem là giải pháp then chốt để vượt qua nút thắt cổ chai “bức tường bộ nhớ” đã tồn tại lâu nay và thúc đẩy kiến trúc phần cứng AI.

Tuy nhiên, các transistor sắt điện thông thường từ lâu đã bị hạn chế bởi điện áp cưỡng bức vốn có của vật liệu sắt điện dạng phẳng. Trên thực tế, việc chuyển mạch phân cực và các thao tác xóa/ghi dữ liệu thường yêu cầu điện áp trên 1,5V.

Dù đã hiệu quả hơn bộ nhớ Flash, các thiết kế truyền thống về mặt lý thuyết không thể giảm điện áp hoạt động xuống dưới 0,7V, điều này cản trở khả năng tương thích với các mức điện áp logic phổ biến. Vì thế, làm thế nào để đạt được hoạt động bộ nhớ ở điện áp cực thấp dưới 0,7V đã trở thành một thách thức quan trọng để vượt qua các nút thắt cổ chai về bộ nhớ và nâng cao hiệu suất chip AI.

Cấu trúc cổng nano phá vỡ rào cản điện áp

Trong nghiên cứu này, nhóm nhà khoa học tại Đại học Bắc Kinh đã giới thiệu cả "cấu trúc transistor sắt điện cổng nano" và "cơ chế tăng cường điện trường cổng nano". Bằng cách thu nhỏ mạnh mẽ điện cực cổng xuống giới hạn nanomet, các nhà nghiên cứu tận dụng hiệu ứng tập trung điện trường ở đầu cổng nano.

Thiết kế này tạo ra một vùng điện trường tập trung cao độ và mạnh mẽ bên trong lớp vật liệu sắt điện, khuếch đại đáng kể cường độ điện trường cục bộ và giảm mạnh điện áp cần thiết cho quá trình chuyển mạch phân cực. Phương pháp đó vượt qua giới hạn điện áp cưỡng bức của các vật liệu sắt điện dạng phẳng truyền thống và phá vỡ sự đánh đổi lâu nay giữa điện áp hoạt động thấp và điện trường cưỡng bức cao. Điều này đồng nghĩa công nghệ mới cho phép vừa đạt điện áp vận hành rất thấp, vừa duy trì điện trường cưỡng bức cao, tức là không còn phải hy sinh một yếu tố để đổi lấy yếu tố kia.

Nhờ đó, nhóm nghiên cứu đã đạt được điện áp hoạt động cực thấp 0,6V, giúp bộ nhớ sắt điện tương thích với mức điện áp logic. Thiết bị chế tạo được có mức tiêu thụ năng lượng chỉ 0,45 fJ/µm, tốt hơn một bậc so với các kết quả quốc tế trước đây, với tốc độ lưu trữ xấp xỉ 1 nano giây.

Đáng chú ý, đây là nghiên cứu đầu tiên trên toàn thế giới phát hiện lợi thế thu nhỏ bất thường trong các transistor sắt điện: Khi chiều dài cổng vật lý thu nhỏ đến giới hạn 1 nanomet, hiệu ứng hội tụ và tăng cường điện trường trở nên mạnh mẽ hơn đáng kể. Kích thước cổng cực nhỏ giúp cải thiện hiệu quả các đặc tính bộ nhớ sắt điện, cho thấy tiềm năng lớn của công nghệ này với các chip bán dẫn ở tiến trình dưới 1 nanomet trong tương lai.

Sơn Vân