Tìm ra thiết kế mới của bộ nhớ máy tính giúp giảm tiêu thụ năng lượng.

Các nhà nghiên cứu đã tạo ra một thiết kế mới cho bộ nhớ máy tính có thể cải thiện hiệu suất đồng thời giảm nhu cầu năng lượng cho công nghệ truyền thông và internet, dự kiến ​​sẽ sử dụng gần một phần ba lượng điện năng toàn cầu trong mười năm tới. Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí ‘Những tiến bộ khoa học’.

Một nhóm nghiên cứu do Đại học Cambridge đứng đầu đã tạo ra một thiết bị xử lý dữ liệu theo cách tương tự như các khớp thần kinh trong não người. Thiết bị này được làm bằng hafni oxit, một vật liệu đã được sử dụng trong ngành công nghiệp bán dẫn và một hàng rào nhỏ tự lắp ráp có thể nâng lên hạ xuống để cho phép các electron đi qua. Các phương pháp thay đổi điện trở trong thiết bị bộ nhớ máy tính và cho phép quá trình xử lý thông tin và bộ nhớ cùng tồn tại có thể dẫn đến sự phát triển của thiết bị bộ nhớ máy tính với mật độ cao hơn, hiệu suất cao hơn và mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn. Những phát hiện đã được công bố trên tạp chí Science Advances.

Thế giới đói dữ liệu của chúng ta đã dẫn đến nhu cầu năng lượng tăng lên, khiến việc giảm lượng khí thải carbon trở nên khó khăn hơn. Trong vài năm tới, trí tuệ nhân tạo, việc sử dụng internet, thuật toán và các công nghệ dựa trên dữ liệu khác dự kiến ​​sẽ tiêu thụ hơn 30% điện năng toàn cầu. “Phần lớn, sự bùng nổ nhu cầu năng lượng này là do những thiếu sót của công nghệ bộ nhớ máy tính hiện tại,” tác giả đầu tiên, Tiến sĩ Markus Hellenbrand, từ Khoa Khoa học Vật liệu và Luyện kim của Cambridge cho biết. “Trong điện toán thông thường, có bộ nhớ ở một bên và xử lý ở bên kia, và dữ liệu được xáo trộn qua lại giữa hai bên, điều này tốn năng lượng và thời gian.”

Một giải pháp tiềm năng cho vấn đề bộ nhớ máy tính kém hiệu quả là một loại công nghệ mới được gọi là bộ nhớ chuyển mạch điện trở. Các thiết bị bộ nhớ thông thường có khả năng ở hai trạng thái: một hoặc không. Tuy nhiên, một thiết bị bộ nhớ chuyển mạch điện trở đang hoạt động sẽ có khả năng thực hiện một loạt các trạng thái liên tục – các thiết bị bộ nhớ máy tính dựa trên nguyên tắc này sẽ có mật độ và tốc độ lớn hơn nhiều. “Ví dụ, một chiếc USB điển hình dựa trên phạm vi liên tục sẽ có thể lưu trữ thông tin nhiều hơn từ 10 đến 100 lần,” Hellenbrand nói.

Hellenbrand và các đồng nghiệp của ông đã phát triển một thiết bị nguyên mẫu dựa trên oxit hafnium, một vật liệu cách điện đã được sử dụng trong ngành công nghiệp bán dẫn. Vấn đề sử dụng vật liệu này cho các ứng dụng bộ nhớ chuyển mạch điện trở được gọi là vấn đề tính đồng nhất. Ở cấp độ nguyên tử, hafni oxit không có cấu trúc, với các nguyên tử hafni và oxy được trộn lẫn một cách ngẫu nhiên, khiến nó khó sử dụng cho các ứng dụng bộ nhớ. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng bằng cách thêm bari vào một màng oxit hafni mỏng, một số cấu trúc bất thường bắt đầu hình thành, vuông góc với mặt phẳng của oxit hafnium, trong vật liệu composite.

Những ‘cây cầu’ giàu bari thẳng đứng này có cấu trúc cao và cho phép các electron đi qua, trong khi oxit hafnium xung quanh vẫn không có cấu trúc. Tại điểm mà cây cầu này gặp tiếp điểm của thiết bị, một hàng rào năng lượng đã được tạo ra, qua đó các electron có thể đi qua. Các nhà nghiên cứu có thể kiểm soát chiều cao của hàng rào này, từ đó thay đổi điện trở của vật liệu composite. “Điều này cho phép nhiều trạng thái tồn tại trong vật liệu, không giống như bộ nhớ thông thường chỉ có hai trạng thái,” Hellenbrand nói.

Không giống như các vật liệu composite khác, đòi hỏi các phương pháp sản xuất ở nhiệt độ cao đắt tiền, hỗn hợp hafnium oxit này tự lắp ráp ở nhiệt độ thấp. Vật liệu tổng hợp cho thấy hiệu suất cao và tính đồng nhất, khiến chúng rất hứa hẹn cho các ứng dụng bộ nhớ thế hệ tiếp theo. Bằng sáng chế về công nghệ này đã được nộp bởi Cambridge Enterprise, chi nhánh thương mại hóa của trường Đại học.

“Điều thực sự thú vị về vật liệu này là nó có thể hoạt động giống như các khớp thần kinh trong não: nó có thể lưu trữ và xử lý thông tin ở cùng một nơi, giống như bộ não của chúng ta, khiến nó rất hứa hẹn cho lĩnh vực AI và học máy đang phát triển nhanh chóng.” Hellenbrand nói. ()