Thiết bị bộ nhớ mới nhanh hơn DRAM 1.000 lần

Các nhà khoa học Nhật Bản chế tạo thành công bộ nhớ từ tính không biến đổi, có tốc độ chuyển đổi trạng thái chỉ 40 pico giây (phần nghìn tỷ giây) mà không tỏa nhiệt hay tốn nhiều điện năng.

Theo Tom's Hardware, nghiên cứu từ Đại học Tokyo có thể khắc phục điểm yếu công nghệ hiện tại của AI là nhu cầu tiêu thụ năng lượng và làm mát khổng lồ khi truyền tải và lưu trữ dữ liệu.

Về bản chất, máy tính hiện đại hoạt động dựa trên việc chuyển đổi các trạng thái vật lý như bật - tắt, nạp - xả điện để biểu diễn hệ nhị phân. Quá trình này tốn nhiều năng lượng và phần lớn biến thành nhiệt năng. Khi các cụm GPU phục vụ AI tăng quy mô lên hàng trăm nghìn bộ, việc cấp nguồn và làm mát trở thành nút thắt cổ chai của toàn ngành.

Hiện nay, mỗi công nghệ bộ nhớ đều có nhược điểm. DRAM - bộ nhớ hệ thống trên PC, máy chủ, GPU - dùng để lưu trữ dữ liệu dưới dạng điện tích trong tụ điện nhỏ. Do tụ điện liên tục bị rò rỉ điện, hệ thống liên tục nạp lại tế bào nhớ hàng nghìn lần mỗi giây, ngốn năng lượng và tỏa nhiệt cả khi máy tính ở trạng thái chờ. Bộ nhớ Flash trên ổ cứng SSD giữ được dữ liệu khi ngắt điện nhờ bẫy điện tử nhưng tốc độ chuyển đổi trạng thái lại chậm và cũng tiêu thụ nhiều năng lượng, không phù hợp làm bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tốc độ cao. SRAM, bộ nhớ đệm CPU có tốc độ chuyển đổi rất nhanh, lại chiếm nhiều diện tích chip và giá thành đắt đỏ, khó mở rộng dung lượng lớn.

RAM DDR5 của Samsung. Ảnh:Samsung

Nhiều thập kỷ qua, ngành công nghệ luôn tìm kiếm một loại bộ nhớ vạn năng kết hợp được tốc độ của SRAM, mật độ của DRAM và khả năng lưu trữ bền bỉ của Flash. Tuy nhiên, các công nghệ thử nghiệm trước đây khi đẩy tốc độ lên mức pico giây (ps) thường phải dùng nhiệt lượng lớn để làm mất ổn định trạng thái, khiến nhiệt độ thiết bị tăng hàng trăm độ K trong quá trình vận hành.

Để giải bài toán đó, các nhà nghiên cứu tại Đại học Tokyo đi theo hướng hoàn toàn khác thông qua điện tử học spin (spintronics). Thay vì lưu trữ thông tin bằng điện tích, thiết bị spintronic lưu bằng trạng thái từ tính. Thay vì sử dụng vật liệu sắt từ thông thường như sắt, niken, nhóm nghiên cứu dùng vật liệu phản sắt từ gọi là Mn₃Sn. Vật liệu này có các mô-men từ cận kề triệt tiêu lẫn nhau, giúp thiết bị có thể chuyển đổi nhanh hơn, chống nhiễu từ tốt hơn và thu nhỏ kích thước dễ dàng hơn.

Các nhà khoa học chế tạo cấu trúc lớp Mn₃Sn trên nền silicon, sau đó dùng các xung điện cực ngắn để chuyển đổi cấu hình từ tính một cách ổn định. Điểm mấu chốt là cơ chế chuyển đổi này không dựa trên việc đốt nóng vật liệu. Thay vào đó, các xung điện tạo ra hiệu ứng mô-men xoắn quỹ đạo truyền trực tiếp mô-men động lượng vào cấu trúc từ tính để chuyển trạng thái mà không làm tăng nhiệt độ đột ngột.

Thiết bị của nhóm nghiên cứu đạt tốc độ chuyển đổi trạng thái chỉ trong 40 pico giây, nhanh gấp 1.000 lần so với tốc độ nano giây (ns) của bộ nhớ thông thường hiện nay. Trong mô phỏng, nhiệt độ thiết bị chỉ tăng khoảng 8 K trong quá trình hoạt động, chứng minh cơ chế này gần như không gặp phải vấn đề quá nhiệt như các nghiên cứu trước đó.

Đặc biệt, nghiên cứu còn trình diễn khả năng chuyển đổi bằng ánh sáng. Nhóm tác giả sử dụng tia laser dải viễn thông và điốt quang để tạo ra xung dòng quang điện 60 ps, từ đó thay đổi trạng thái từ tính của thiết bị. Thử nghiệm này mở ra tiềm năng lớn cho công nghệ kết nối quang học và quang tử silicon, xu hướng mà các nhà vận hành trung tâm dữ liệu lớn đang hướng tới để di chuyển thông tin bằng ánh sáng thay vì tín hiệu điện truyền thống.

Nếu thương mại hóa thành công, công nghệ này sẽ loại bỏ hoàn toàn chi phí năng lượng để nạp lại bộ nhớ, giảm yêu cầu làm mát và cắt giảm điện năng tiêu thụ khi thiết bị ở trạng thái nghỉ. Trên máy tính cá nhân, nó giúp hệ thống lưu giữ toàn bộ dữ liệu đang làm việc mà không cần nguồn điện duy trì, cho phép khởi động lại lập tức và ít tỏa nhiệt hơn. Đối với hạ tầng AI, lợi ích lớn nhất là tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và giảm chi phí làm mát cho cụm GPU khổng lồ.

Tuy nhiên, công nghệ này hiện vẫn ở mức thử nghiệm trong phòng thí nghiệm dưới dạng cấu trúc siêu nhỏ, chưa phải chip nhớ có thể sản xuất hàng loạt. Nghiên cứu cũng lưu ý rằng phiên bản hiện tại vẫn cần một từ trường định hướng bên ngoài để kích hoạt quá trình chuyển đổi - một hạn chế thực tế lớn đối với phần cứng thương mại.

Khả năng mở rộng quy mô sản xuất, độ bền của linh kiện, tính cạnh tranh về giá và khả năng tích hợp vào quy trình sản xuất chip CMOS cũng chưa được giải quyết. Dù vậy, nghiên cứu đã khẳng định một thực tế rằng các bước tiến hiệu suất trong tương lai của ngành máy tính sẽ không còn phụ thuộc vào việc thu nhỏ bóng bán dẫn, mà nằm ở việc giảm năng lượng cần thiết để chuyển đổi, truyền tải và lưu trữ thông tin.

Huy Đức