Khám phá 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 các trung tâm dữ liệu lớn, các cảm biến di động và các thiết bị điện tử khác. Trong số các công nghệ lưu trữ dữ liệu, hứa hẹn nhất là bộ nhớ đổi pha, có tốc độ nhanh hơn hàng nghìn lần so với ổ cứng thông thường vốn tiêu thụ nhiều điện năng.

Eric Pop, giáo sư kỹ thuật điện và là tác giả của nghiên cứu cho biết: “Mọi người từ lâu đã mong đợi bộ nhớ thay đổi pha sẽ thay thế phần lớn bộ nhớ trong điện thoại và máy tính xách tay”. "Một lý do khiến chúng chưa đi vào ứng dụng là việc yêu cầu nhiều năng lượng hơn để hoạt động so với các công nghệ bộ nhớ cạnh tranh. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã chỉ ra rằng bộ nhớ đổi pha có thể hoạt động vừa nhanh vừa tiết kiệm năng lượng."

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 gắn 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 mã hóa bằng các số 1 và 0. Trong bộ nhớ thay đổi pha, số 1 và số 0 đại diện cho các phép đo điện trở trong vật liệu GST.

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 vỡ trật tự, 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. Ngoài ra, khi bộ nhớ được thiết lập, nó sẽ không sử dụng bất kỳ nguồn điện nào, tương tự như ổ đĩa flash."

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 tấm 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.

Trong nghiên cứu, tiến sĩ Alwin 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 tạo nên "công thức" 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 vào đó - và một chất nền linh hoạt cách nhiệt. Cùng nhau, chúng đã giúp cải thiện đáng kể hiệu suất năng lượng. "

Khả năng cài đặt bộ nhớ nhanh, tiết kiệm năng lượng trên các thiết bị di động 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. Bộ nhớ thay đổi pha 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 ở nơi khác. Dữ liệu phải di chuyển qua lại, điều này rất kém hiệu quả về mặt năng lượng."

Bộ nhớ thay đổi pha 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.