MỸ – Một ngày nào đó, bộ nhớ máy tính có thể chịu được nhiệt độ cực cao trong lò phản ứng nhiệt hạch, động cơ phản lực, giếng địa nhiệt và các hành tinh có nhiệt độ cao, bằng cách sử dụng thiết bị bộ nhớ thể rắn mới do một nhóm kỹ sư từ Đại học Michigan (UM – University of Michigan) phát triển.

Các thiết bị bộ nhớ được chế tạo bằng oxit tantali trên con chip, có thể lưu trữ dữ liệu cho cả bộ nhớ thông thường và máy tính ở nhiệt độ trên 600°F

Không như bộ nhớ silicon thông thường, thiết bị mới có thể lưu trữ và ghi lại thông tin ở nhiệt độ trên 600°C – nhiệt độ cao hơn bề mặt sao Kim và nhiệt độ nóng chảy của chì. Thiết bị này được phát triển với sự hợp tác của các nhà nghiên cứu tại Phòng Thí nghiệm Quốc gia Sandia (Sandia National Laboratory).

Ông Yiyang Li, Phó Giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật tại đại học UM, đồng thời là tác giả liên hệ chính (1) của dự án nghiên cứu được công bố ngày 12/12/2024 trên tạp chí Device, thuộc nhà xuất bản Cell Press, đã nói rằng: “Với công nghệ này, sẽ giúp tạo ra các thiết bị điện tử chưa từng có trước đây cho các ứng dụng nhiệt độ cao”.
(1) Tác giả liên hệ: là người chịu trách nhiệm đứng ra trao đổi với báo chí trong quá trình nộp, bình duyệt và xuất bản.

Ông Yiyang nói tiếp: “Cho đến nay, chúng tôi đã chế tạo được một thiết bị có thể chứa một bit, ngang bằng với các bản trình diễn bộ nhớ máy tính nhiệt độ cao khác. Với nhiều sự phát triển và đầu tư hơn, về mặt lý thuyết, nó có thể chứa được megabyte hoặc gigabyte dữ liệu.”

Tuy nhiên, có một sự đánh đổi đối với các thiết bị không hoạt động ở nhiệt độ cực cao toàn thời gian: thông tin mới chỉ có thể được ghi trên thiết bị ở nhiệt độ trên 250°C. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cho rằng một bộ gia nhiệt có thể giải quyết vấn đề cho các thiết bị cũng phải hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn.

Bộ nhớ chịu nhiệt xuất phát từ việc di chuyển các nguyên tử oxy tích điện âm thay vì các electron. Khi được nung nóng trên 150°C, các chất bán dẫn thông thường dựa trên silicon bắt đầu dẫn các mức dòng điện không thể kiểm soát. Vì các thiết bị điện tử được sản xuất chính xác theo các mức dòng điện cụ thể, nhiệt độ cao có thể xóa thông tin khỏi bộ nhớ của thiết bị. Nhưng các ion oxy bên trong thiết bị của các nhà nghiên cứu không bị ảnh hưởng bởi nhiệt.

Chúng di chuyển giữa hai lớp trong bộ nhớ – oxit tantal bán dẫn và tantal kim loại – thông qua chất điện phân rắn hoạt động như một rào cản bằng cách ngăn các điện tích khác di chuyển giữa các lớp. Các ion oxy được hướng dẫn bởi một loạt ba điện cực bạch kim kiểm soát việc oxy có được hút vào oxit tantal hay bị đẩy ra khỏi nó hay không. Toàn bộ quá trình tương tự như cách pin sạc và xả; tuy nhiên, thay vì lưu trữ năng lượng, quá trình điện hóa này được sử dụng để lưu trữ thông tin.

Khi thiết bị được cố định trong lò sưởi, các nhà nghiên cứu có thể kiểm tra xem nó hoạt động tốt như thế nào ở nhiệt độ cao

Khi các nguyên tử oxy rời khỏi lớp oxit tantal, một vùng nhỏ tantal kim loại sẽ bị bỏ lại. Đồng thời, một lớp oxit tantal cũng phủ lên lớp kim loại tantal ở phía đối diện của lớp chắn. Các lớp tantal và oxit tantal không trộn lẫn, giống như dầu và nước, vì vậy các lớp mới này sẽ không trở lại trạng thái ban đầu cho đến khi điện áp được chuyển đổi.

Tùy thuộc vào hàm lượng oxy của oxit tantal, nó có thể hoạt động như một chất cách điện hoặc chất dẫn điện – cho phép vật liệu chuyển đổi giữa hai trạng thái điện áp khác nhau biểu diễn các số 0 và 1 kỹ thuật số. Kiểm soát tốt hơn chênh lệch áp suất oxy cho phép tính toán bên trong bộ nhớ, với hơn 100 trạng thái điện trở thay vì một nhị phân đơn giản. Cách tiếp cận này có thể giúp giảm nhu cầu điện năng.

Ông Alec Talin, nhà khoa học cấp cao tại khoa hóa học, đốt cháy và khoa học vật liệu tại phòng thí nghiệm Sandia và là đồng tác giả của nghiên cứu, đã nói rằng: “Có rất nhiều sự quan tâm đến việc sử dụng công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI) nhằm cải thiện khả năng giám sát trong những điều kiện khắc nghiệt này, nhưng chúng yêu cầu những con chip xử lý mạnh mẽ, chạy bằng nhiều điện năng và những môi trường khắc nghiệt này cũng có lượng điện năng nghiêm ngặt”.

Ông Alec nói tiếp: “Chip máy tính trong bộ nhớ giúp xử lý một số dữ liệu đó trước khi chúng đến chip công nghệ AI và giảm mức sử dụng điện năng tổng thể của thiết bị.”

Lò sưởi gốm phát sáng màu đỏ khi ở nhiệt độ cao

Các trạng thái thông tin có thể được lưu trữ ở nhiệt độ trên 600°C trong hơn 24 tiếng. Trong khi mức độ chịu nhiệt đó tương đương với các vật liệu khác đã được phát triển cho bộ nhớ có thể ghi lại, chịu nhiệt độ cao, thiết bị mới này có những lợi ích khác. Nó có thể chạy ở điện áp thấp hơn một số giải pháp thay thế hàng đầu – cụ thể là bộ nhớ điện môi và nanogap điện cực bạch kim đa tinh thể – và cung cấp nhiều trạng thái tương tự cho cơ sở dữ liệu in-memory computing (2).
(2) In-memory computing: là một phương pháp xử lý dữ liệu nhanh chóng bằng cách lưu trữ và xử lý dữ liệu trực tiếp trong bộ nhớ RAM của máy tính, thay vì trên ổ đĩa cứng. Điều này giúp tối ưu hóa tốc độ xử lý dữ liệu và loại bỏ thời gian trễ do đọc và ghi dữ liệu từ ổ đĩa cứng.

Để xem các tin bài khác về “Bộ nhớ máy tính”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online