Trung Quốc đột phá công nghệ chế tạo chip nhớ siêu tiết kiệm năng lượng

Một bước tiến mới trong công nghệ bán dẫn vừa được các nhà khoa học tại Đại học Phúc Đán (Thượng Hải) công bố, mở ra khả năng vận hành các mô hình AI trực tiếp trên smartphone với lượng điện năng tiêu thụ cực kỳ tối ưu.

Dựa trên đưa tin từ China Daily, công trình nghiên cứu do giáo sư chuyên ngành vi điện tử Zhou Peng cùng các cộng sự tại Đại học Phúc Đán (Thượng Hải) phụ trách đã chế tạo thành công hệ thống bộ nhớ flash lượng tử hai chiều. Thiết bị mang tính bước ngoặt này hứa hẹn nâng cao vượt bậc vận tốc xử lý cũng như hiệu suất sử dụng năng lượng cho các nền tảng máy tính thế hệ mới. Toàn bộ thông tin chi tiết về thành tựu khoa học này đã được đăng tải chính thức vào ngày 16/7 trên ấn phẩm khoa học danh tiếng Science.

Khi đặt lên bàn cân so sánh với các chuẩn lưu trữ phổ biến hiện nay như bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động (DRAM) hay flash 3D NAND, linh kiện mới này đã hợp nhất thành công ba đặc tính vốn rất khó hội tụ đồng thời: tốc độ truyền tải cực cao, mức tiêu tốn năng lượng thấp và khả năng bảo toàn dữ liệu liên tục mà không đòi hỏi nguồn điện duy trì. Nhóm tác giả khẳng định giải pháp này hoàn toàn thích ứng được với khối lượng tính toán khổng lồ của trí tuệ nhân tạo tổng quát (AGI) - vốn luôn đòi hỏi năng lực xử lý cùng lưu trữ dữ liệu nhanh chóng và tối ưu hơn.

Thách thức của các công nghệ chip nhớ truyền thống

Trong cấu trúc của máy tính hiện đại, chip nhớ đóng vai trò hạt nhân khi đảm nhận nhiệm vụ lưu giữ và xuất dữ liệu phục vụ cho các tiến trình tính toán. Dù vậy, tốc độ truy xuất dữ liệu cùng mức độ tiêu thụ điện năng vẫn luôn là rào cản lớn nhất cản trở sự nâng cấp hiệu năng phần cứng. Những công nghệ bộ nhớ cốt lõi hiện hành đều tồn tại những ưu điểm và hạn chế riêng biệt. Cụ thể, DRAM sở hữu khả năng đọc - ghi dữ liệu vô cùng nhanh chóng, rất thích hợp cho tác vụ tính toán hiệu suất cao, nhưng lại xóa sạch toàn bộ dữ liệu ngay khi ngắt điện. Trong khi đó, chuẩn flash 3D NAND có thể duy trì dữ liệu suốt nhiều năm mà không cần dòng điện, song lại gặp bất lợi về tốc độ ghi và đọc thông tin chậm hơn đáng kể.

Chip nhớ flash với lớp graphene ngăn electron thoát ra. Ảnh: Science

Hành trình chinh phục công nghệ lưu trữ mức electron

Nhằm giải quyết triệt để những điểm yếu nói trên, các chuyên gia thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia về chip và hệ thống tích hợp kết hợp cùng Trường mạch tích hợp và điện tử vi mô - nano (Đại học Phúc Đán) đã kiên trì nghiên cứu suốt hơn một thập kỷ. Sau khi hiện thực hóa thành công công nghệ lưu trữ điện tích bán dẫn đạt tốc độ nhanh nhất từ trước tới nay, các nhà khoa học tiếp tục đặt ra tiêu chuẩn cao hơn: mã hóa chính xác một bit dữ liệu chỉ bằng một hạt electron duy nhất. Việc ứng dụng duy nhất một electron để biểu diễn một bit dữ liệu sẽ tạo tiền đề xây dựng các thiết bị nhớ có kích thước siêu nhỏ gọn cùng mức tiêu thụ điện năng ở ngưỡng tối thiểu.

Ứng dụng các nguyên lý cốt lõi từ cơ học lượng tử, đội ngũ nghiên cứu tại Đại học Phúc Đán đã kiến tạo nên công nghệ flash lượng tử cho phép can thiệp và lưu giữ chính xác một electron đơn lẻ. Bằng việc tận dụng các đặc tính độc đáo của vật liệu bán dẫn hai chiều, họ đã chế tạo một thiết bị tân tiến có khả năng vận hành electron riêng biệt với độ ổn định rất cao. Đáng chú ý, đây là lần đầu tiên giới khoa học ghi nhận trực tiếp tiến trình duy trì ổn định một electron ở điều kiện nhiệt độ phòng 27 độ C, thay vì phải duy trì ở mức nhiệt độ cực thấp như các thử nghiệm trước đây.

Ứng dụng thực tiễn và triển vọng tương lai

Căn cứ theo SCMP, những dòng chip bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động (DRAM) tân tiến nhất hiện nay do hai ông lớn Samsung và SK Hynix sản xuất vẫn cần tới khoảng 200.000 electron để lưu giữ trọn vẹn một bit thông tin. Công nghệ lưu trữ một electron do giáo sư Peng cùng các đồng nghiệp sáng chế sẽ cho phép triển khai trực tiếp các mô hình ngôn ngữ lớn ngay trên thiết bị di động với lượng điện năng cực thấp, đồng thời ngăn chặn tình trạng AI "mất trí nhớ" nhờ cơ chế lưu trữ hiệu quả lịch sử hội thoại vào bộ nhớ đệm.

Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh thêm rằng giải pháp bộ nhớ mới này có thể ghép nối trực tiếp vào các vi xử lý, từ đó gia tăng đáng kể tốc độ luân chuyển dữ liệu giữa bộ phận tính toán và không gian lưu trữ.

Xin chân thành cảm ơn quý độc giả đã dành thời gian theo dõi bài viết này. Hãy tiếp tục khám phá thêm những thông tin công nghệ mới nhất và hấp dẫn qua các bài viết liên quan ngay bên dưới!