[Tin tức] Nhóm Nghiên Cứu Trung Quốc Phát Triển Bộ Nhớ Flash Siêu Tốc Độ
Trường Đại học Phúc Đán (Fudan University) vừa đạt được một bước đột phá quan trọng trong lĩnh vực vi mạch tích hợp. Nhóm nghiên cứu do hai nhà khoa học Chu Bằng (Zhou Peng) và Lưu Xuân Sâm (Liu Chunsen) dẫn dắt đã xây dựng một mô hình Poisson bán hai chiều (quasi-2D) và từ đó dự đoán hiện tượng “siêu phóng thích” (super-injection) — vượt qua các giới hạn lý thuyết hiện tại về tốc độ bộ nhớ — đồng thời phát triển thiết bị bộ nhớ flash “PoX” với tốc độ tính theo picôgiây. Tốc độ đọc/ghi có thể đạt đến dưới 1 nanosecond, cụ thể là 400 picôgiây — tương đương với 2,5 tỷ thao tác mỗi giây — đánh dấu công nghệ lưu trữ điện tích bán dẫn nhanh nhất thế giới cho đến nay.
Giữa làn sóng phát triển của trí tuệ nhân tạo (AI), việc lưu trữ dữ liệu lớn với tốc độ cao trở nên đặc biệt quan trọng. Làm thế nào để phá vỡ giới hạn tốc độ lưu trữ thông tin từ lâu đã là một trong những thách thức cơ bản nhất trong lĩnh vực vi mạch tích hợp, đồng thời là nút thắt then chốt đang hạn chế sức mạnh tính toán của AI. Để thực sự đáp ứng nhu cầu xử lý dữ liệu lớn, bộ nhớ cần phải hội tụ đầy đủ các yếu tố: tốc độ cao, tiêu thụ năng lượng thấp, và dung lượng lớn — trở thành một “chiến binh lục giác” toàn diện.
Về mặt cấu trúc, đơn vị lưu trữ cơ bản của bộ nhớ flash là transistor cổng nổi (floating-gate transistor), bao gồm ba phần: nguồn (source), thoát (drain) và cổng (gate). Khi các electron di chuyển từ nguồn qua kênh dẫn đến thoát, việc nhấn “công tắc” cổng sẽ giúp thu electron vào lớp lưu trữ của cổng nổi, từ đó thực hiện lưu trữ thông tin.
“Trước đây, để tăng tốc độ bộ nhớ flash, người ta để các electron ‘lấy đà’ và gia tốc dọc theo kênh dẫn, rồi mới nhấn công tắc khi chúng đạt đủ năng lượng,” ông Lưu giải thích một cách hình tượng. Tuy nhiên, theo các cơ chế lý thuyết truyền thống, khoảng lấy đà của electron quá dài và tốc độ tăng không đủ nhanh. Hơn nữa, sự phân bố điện trường đặc thù trong chất bán dẫn cũng đặt ra một giới hạn lý thuyết cho quá trình gia tốc của electron, khiến tốc độ lưu trữ không thể vượt qua điểm cực hạn phóng thích.
Bắt đầu từ cơ chế lý thuyết nền tảng của thiết bị lưu trữ, nhóm nghiên cứu đã đề xuất một cách tiếp cận hoàn toàn mới: bằng cách kết hợp cấu trúc dải năng lượng Dirac và đặc tính vận chuyển đạn đạo (ballistic transport) của vật liệu hai chiều (2D), họ điều chỉnh chiều dài Gaussian của kênh 2D để đạt được hiện tượng “siêu phóng thích” electron vào lớp lưu trữ của cổng nổi. Với cơ chế này, electron có thể đạt tốc độ cao ngay lập tức mà không cần lấy đà, và quá trình phóng thích không còn bị giới hạn bởi điểm cực hạn như trước.
Dựa trên mô hình Poisson bán hai chiều, nhóm đã dự đoán thành công hiện tượng siêu phóng thích trên lý thuyết. Trên cơ sở đó, họ phát triển thiết bị bộ nhớ flash với tốc độ tính bằng picôgiây, đạt mức đọc/ghi dưới 1 nanosecond (400 picôgiây), tức là lên tới 2,5 tỷ thao tác mỗi giây. Hiệu suất này thậm chí còn vượt qua công nghệ bộ nhớ biến đổi nhanh nhất hiện nay (SRAM) ở cùng mức công nghệ.
Đây là công nghệ lưu trữ điện tích bán dẫn nhanh nhất thế giới hiện nay, tiệm cận tốc độ giữa lưu trữ và xử lý dữ liệu. Khi được tích hợp ở quy mô lớn, công nghệ này có thể làm thay đổi toàn diện kiến trúc bộ nhớ hiện tại. Trong tương lai, máy tính cá nhân có thể không còn cần phân biệt giữa bộ nhớ tạm và lưu trữ lâu dài, giúp loại bỏ mô hình lưu trữ phân tầng và cho phép triển khai cục bộ các mô hình AI lớn.
Là nền tảng cốt lõi của kỷ nguyên trí tuệ, việc nâng cao giới hạn tốc độ lưu trữ có thể dẫn đến những bước nhảy vọt về ứng dụng, đồng thời trở thành động lực quan trọng đưa Trung Quốc dẫn đầu trong các lĩnh vực như AI, điện toán đám mây, kỹ thuật truyền thông và các ngành liên quan. Bước tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ mở rộng quy mô tích hợp lên hàng chục megabit trong vòng 3 đến 5 năm tới, khi đó công nghệ có thể được cấp phép cho các doanh nghiệp để tiến hành công nghiệp hóa.
