Bộ nhớ thay đổi pha của Stanford có thể mở đường cho máy tính siêu nhanh, tiết kiệm năng lượng

Các nhà khoa học đã dành nhiều thập kỷ để tìm kiếm các công nghệ bộ nhớ nhanh hơn, tiết kiệm năng lượng hơn cho mọi thứ, từ các trung tâm dữ liệu lớn đến các cảm biến di động và các thiết bị điện tử linh hoạt khác. Trong số các công nghệ lưu trữ dữ liệu hứa hẹn nhất là bộ nhớ đổi pha, nhanh hơn hàng nghìn lần so với ổ cứng thông thường nhưng không phải là loại tiết kiệm năng lượng nhất trong số các loại bộ nhớ mới nổi.

Giờ đây, các kỹ sư của Đại học Stanford đã vượt qua một trở ngại chính hạn chế việc áp dụng rộng rãi bộ nhớ thay đổi giai đoạn. Kết quả được công bố trong một nghiên cứu trên tạp chí Science .

Eric Pop, giáo sư kỹ thuật điện và tác giả cao cấp của nghiên cứu cho biết: “Mọi người từ lâu đã mong đợi bộ nhớ thay đổi theo giai đoạn sẽ thay thế phần lớn bộ nhớ trong điện thoại và máy tính xách tay của chúng tôi. “Một lý do khiến nó không được chấp nhận là nó đòi hỏi nhiều năng lượng hơn để hoạt động so với các công nghệ bộ nhớ cạnh tranh. Trong nghiên cứu của mình, chúng tôi đã chỉ ra rằng bộ nhớ thay đổi pha có thể vừa nhanh vừa tiết kiệm năng lượng. “

Điện trở

Không giống như các chip nhớ thông thường được chế tạo bằng bóng bán dẫn và các phần cứng khác, thiết bị nhớ thay đổi pha điển hình bao gồm một hợp chất của ba nguyên tố hóa học – germani, antimon và tellurium (GST) – được kẹp giữa hai điện cực kim loại.

Các thiết bị thông thường, như ổ đĩa flash, lưu trữ dữ liệu bằng cách bật và tắt dòng electron, một quá trình được ký hiệu bằng số 1 và số 0. Trong bộ nhớ thay đổi pha, số 1 và số 0 đại diện cho các phép đo điện trở trong vật liệu GST – nó chống lại dòng điện bao nhiêu.

“Một thiết bị nhớ thay đổi pha điển hình có thể lưu trữ hai trạng thái kháng: trạng thái kháng cao 0 và trạng thái kháng thấp 1”, ứng viên tiến sĩ Asir Intisar Khan, đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết. “Chúng ta có thể chuyển từ 1 sang 0 và quay lại trong nano giây bằng cách sử dụng nhiệt từ các xung điện được tạo ra bởi các điện cực.”

Làm nóng đến khoảng 300 độ F (150 độ C ) biến hợp chất GST thành trạng thái tinh thể với điện trở thấp. Ở khoảng 1.100 F (600 C), các nguyên tử tinh thể trở nên rối loạn, biến một phần của hợp chất sang trạng thái vô định hình với điện trở cao hơn nhiều. Sự khác biệt lớn về điện trở giữa trạng thái vô định hình và tinh thể được sử dụng để lập trình bộ nhớ và lưu trữ dữ liệu.

Khan cho biết: “Sự thay đổi điện trở lớn này có thể đảo ngược và có thể được tạo ra bằng cách bật và tắt các xung điện.

Pop nói: “Bạn có thể quay lại nhiều năm sau và đọc ký ức bằng cách đọc điện trở của từng bit. “Ngoài ra, khi bộ nhớ được thiết lập, nó sẽ không sử dụng bất kỳ nguồn điện nào, tương tự như ổ đĩa flash.”

‘Nước sốt bí mật’

Tuy nhiên, việc chuyển đổi giữa các trạng thái thường đòi hỏi rất nhiều năng lượng, điều này có thể làm giảm tuổi thọ pin của các thiết bị điện tử di động.

Để giải quyết thách thức này, nhóm Stanford bắt đầu thiết kế một tế bào bộ nhớ thay đổi pha hoạt động với công suất thấp và có thể được nhúng trên đế nhựa dẻo thường được sử dụng trong điện thoại thông minh có thể uốn cong, cảm biến cơ thể đeo được và các thiết bị điện tử di động chạy bằng pin khác.

“Những thiết bị này đòi hỏi chi phí thấp và tiêu thụ năng lượng thấp để hệ thống hoạt động hiệu quả,” đồng tác giả Alwin Daus, một học giả sau tiến sĩ cho biết. “Nhưng nhiều chất nền dẻo bị mất hình dạng hoặc thậm chí tan chảy ở nhiệt độ khoảng 390 F (200 C) trở lên.”

Trong nghiên cứu, Daus và các đồng nghiệp của ông đã phát hiện ra rằng một chất nền nhựa có độ dẫn nhiệt thấp có thể giúp giảm dòng điện trong ô nhớ, cho phép nó hoạt động hiệu quả.

Pop cho biết: “Thiết bị mới của chúng tôi đã giảm mật độ dòng lập trình xuống hệ số 10 trên chất nền dẻo và hệ số 100 trên silicon cứng. “Ba thành phần đã đi vào nước sốt bí mật của chúng tôi: một siêu mạng bao gồm các lớp nano của vật liệu nhớ, một tế bào lỗ – một lỗ nano để chúng tôi nhồi các lớp siêu mạng – và một chất nền linh hoạt cách nhiệt. Cùng với nhau, họ đã cải thiện đáng kể hiệu quả sử dụng năng lượng ”.

Máy tính siêu nhanh, linh hoạt

Khả năng cài đặt bộ nhớ nhanh, tiết kiệm năng lượng trên các thiết bị di động và linh hoạt có thể cho phép một loạt các công nghệ mới, chẳng hạn như cảm biến thời gian thực cho nhà thông minh và màn hình y sinh.

Daus cho biết: “Các cảm biến có hạn chế cao về thời lượng pin và việc thu thập dữ liệu thô để gửi lên đám mây là rất kém hiệu quả. “Nếu bạn có thể xử lý dữ liệu cục bộ, đòi hỏi bộ nhớ, thì điều đó sẽ rất hữu ích cho việc triển khai Internet of Things.”

Bộ nhớ thay đổi giai đoạn cũng có thể mở ra một thế hệ máy tính siêu nhanh mới.

Khan nói: “Máy tính ngày nay có các chip riêng biệt để tính toán và bộ nhớ. “Họ tính toán dữ liệu ở một nơi và lưu trữ nó ở một nơi khác. Dữ liệu phải di chuyển qua lại, điều này rất kém hiệu quả về mặt năng lượng ”.

Bộ nhớ thay đổi giai đoạn có thể cho phép tính toán trong bộ nhớ, giúp thu hẹp khoảng cách giữa máy tính và bộ nhớ. Tính toán trong bộ nhớ sẽ yêu cầu một thiết bị thay đổi pha với nhiều trạng thái điện trở, mỗi trạng thái có khả năng lưu trữ bộ nhớ.

Khan nói: “Bộ nhớ thay đổi pha điển hình có hai trạng thái kháng cự, cao và thấp. “Chúng tôi đã lập trình bốn trạng thái kháng ổn định, không chỉ hai, một bước quan trọng đầu tiên hướng tới tính toán linh hoạt trong bộ nhớ.”

Bộ nhớ thay đổi pha cũng có thể được sử dụng trong các trung tâm dữ liệu lớn, nơi lưu trữ dữ liệu chiếm khoảng 15% lượng điện tiêu thụ.

Pop nói: “Sức hấp dẫn lớn của bộ nhớ thay đổi pha là tốc độ, nhưng hiệu quả năng lượng trong thiết bị điện tử cũng rất quan trọng. “Nó không chỉ là một suy nghĩ muộn màng. Bất cứ điều gì chúng tôi có thể làm để tạo ra các thiết bị điện tử có công suất thấp hơn và kéo dài tuổi thọ pin sẽ có tác động to lớn ”.

Tham khảo: “Bộ nhớ thay đổi pha đa cấp mật độ dòng điện Ultralow-chuyển mạch trên nền linh hoạt” của Asir Intisar Khan, Alwin Daus, Raisul Islam, Kathryn M. Neilson, Hye Ryoung Lee, H.-S. Philip Wong và Eric Pop, Khoa học ngày 10 tháng 9 năm 2021.
DOI: 10.1126 / science.abj1261

Các đồng tác giả khác của Stanford là cựu học giả hậu tiến sĩ Raisul Islam, ứng viên tiến sĩ Kathryn Neilson, nhà khoa học nghiên cứu Hye Ryoung Lee, và H.-S. Philip Wong, Giáo sư Willard R. & Inez Kerr Bell tại Trường Kỹ thuật. Wong và Eric Pop cũng là giảng viên trực thuộc tại Viện Năng lượng Precourt Stanford.

Tài trợ cho nghiên cứu này được cung cấp bởi các công ty thành viên của Sáng kiến Nghiên cứu Công nghệ Trí nhớ Không bay hơi Stanford ( NMTRI ), chương trình Học bổng Sau đại học Stanford, Học bổng Chuyển động Postdoc sớm của Quỹ Khoa học Quốc gia Thụy Sĩ và Viện Sáng tạo Hợp tác Bắc Kinh.

Theo Scitechdaily