Đột phá bộ nhớ thế hệ mới: 10 tỷ chu kỳ đọc-ghi
Một nhóm nhà nghiên cứu ở Trung Quốc cho biết họ đã giải quyết một trong những trở ngại lớn nhất đối với bộ nhớ sắt điện trên con đường tới sản xuất hàng loạt: vật liệu bị hao mòn quá nhanh. Giải pháp của họ, được mô tả trong tuần này, đưa một thiết bị nguyên mẫu vượt qua 10 tỷ chu kỳ đọc-ghi — gấp khoảng một trăm lần tuổi thọ của các phiên bản trước đó.
Bộ nhớ sắt điện lưu trữ dữ liệu theo hướng phân cực điện ở quy mô nguyên tử bên trong vật liệu. Hãy nghĩ về nó như việc ghi thông tin bằng những mũi tên nhỏ có thể lật qua lật lại. Vì dữ liệu vẫn tồn tại ngay cả khi mất điện, công nghệ này là ứng viên cho bộ nhớ không bay hơi thế hệ tiếp theo — loại bộ nhớ giữ nguyên tệp mà không làm cạn pin, khác với DRAM được sử dụng trong hầu hết máy tính ngày nay.
Họ vật liệu hàng đầu, nhôm scandium nitride, thuộc một lớp tinh thể gọi là wurtzite. Nó có hai điểm bán: cấu trúc bên trong có trật tự cao, và tương thích tốt với thiết bị đã được dùng để sản xuất chip máy tính. Sự tương thích đó vô cùng quan trọng. Một công nghệ bộ nhớ đòi hỏi nhà máy hoàn toàn mới rất khó bán; một công nghệ có thể lắp vào dây chuyền sản xuất hiện có hấp dẫn hơn nhiều đối với các nhà sản xuất.
Nhưng có một trở ngại. Dưới sự chuyển đổi phân cực hoàn toàn, việc lật đi lật lại liên tục mà việc ghi và xóa dữ liệu đòi hỏi, các thiết bị thường hỏng sau khoảng 100 triệu chu kỳ — còn xa so với nhu cầu lưu trữ thương mại. Công trình mới này, một sự hợp tác giữa Đại học Xidian, Đại học Thành phố Hồng Kông và Đại học Phúc Đán, đã truy tìm nguyên nhân hỏng hóc là do các lỗ trống nitơ: những nguyên tử bị thiếu làm gián đoạn mạng tinh thể có trật tự của vật liệu theo thời gian. Nhóm nghiên cứu đề xuất một giải pháp sử dụng sơ đồ ổn định tôpô được xây dựng xung quanh các lỗ trống đó, biến nguồn gốc của sự phân hủy thành một neo cấu trúc.
Kết quả là độ bền được tuyên bố hơn 10 tỷ chu kỳ. Về mặt thực tế, đó là sự khác biệt giữa một điều tò mò trong phòng thí nghiệm và một linh kiện có thể tồn tại qua nhiều năm sử dụng hàng ngày trong điện thoại, máy tính xách tay hoặc trung tâm dữ liệu. Các nhà nghiên cứu cho biết phương pháp này giữ vật liệu tương thích với quy trình chế tạo chip tiêu chuẩn, điều có thể rút ngắn con đường từ bài báo đến sản phẩm.
Công trình này ra đời vào thời điểm thế giới đang đặc biệt quan tâm đến bộ nhớ. Các mô hình trí tuệ nhân tạo rất thèm khát bộ nhớ nhanh, và các trung tâm dữ liệu đang cố gắng theo kịp. Bộ nhớ không bay hơi vừa nhanh vừa tiết kiệm có thể giảm bớt áp lực đó, cho phép thiết bị lưu trữ nhiều dữ liệu hơn mà không liên tục tiêu thụ điện. Nó cũng có thể giúp các thiết bị biên — cảm biến, thiết bị đeo và robot nhỏ — những thứ cần ghi nhớ trong khi chạy bằng pin nhỏ.
Vẫn còn nhiều câu hỏi. Các con số độ bền trong phòng thí nghiệm không phải lúc nào cũng chuyển thành hiệu suất sản xuất, và việc mở rộng quy mô một vật liệu mới thành hàng tỷ ô giống hệt nhau là một thách thức riêng. Nhưng hướng đi đã rõ. Trong nhiều năm, bộ nhớ sắt điện được mô tả là đầy hứa hẹn nhưng luôn cách xa năm năm. Bằng cách nhắm vào khuyết tật cụ thể gây ra hỏng hóc sớm, nghiên cứu này đưa ra một lý do cụ thể để tin rằng lộ trình đó cuối cùng có thể đang được rút ngắn.
Những phát hiện này bổ sung vào dấu ấn ngày càng lớn của Trung Quốc trong nghiên cứu vật liệu tiên tiến và chất bán dẫn, một lĩnh vực mà các trường đại học và phòng thí nghiệm quốc gia đã đầu tư mạnh mẽ. Nếu vấn đề độ bền thực sự được giải quyết, phần thưởng có thể được đo không phải bằng chu kỳ, mà bằng những thiết bị không còn cần phải quên.