NHẬT BẢN – Bằng một quy trình từng được cho rằng bất khả thi, một chip bộ nhớ siêu nhỏ lại hoạt động tốt hơn khi kích thước của nó giảm đi. Bước tiến này sẽ là nền tảng cho điện thoại thông minh và hệ thống công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI) tiết kiệm năng lượng.

Các mạch điện và bộ nhớ bên trong thiết bị điện tử luôn tiêu thụ năng lượng và tỏa nhiệt trong quá trình vận hành. Đó là lý do vì sao điện thoại có thể nóng lên sau khi sử dụng liên tục, hoặc gặp tình trạng sụt pin nhanh.

Ở cấp độ cơ bản nhất, bộ nhớ máy tính lưu trữ thông tin dưới dạng nhị phân 0 và 1 bằng cách kiểm soát tắt/ mở của dòng điện khi đi qua vật liệu. Nếu các nhà khoa học có thể thiết kế loại bộ nhớ sử dụng ít điện năng hơn, áp lực về năng lượng trên điện thoại, máy tính và các thiết bị điện tử khác sẽ được giảm tải rõ rệt.

Hành trình tìm kiếm bộ nhớ năng lượng thấp
Năm 1971, các nhà nghiên cứu đã giải quyết vấn đề này bằng cách đề xuất cấu trúc tiếp giáp đường hầm sắt điện (FTJ – ferroelectric tunnel junction) (*). Loại bộ nhớ này hoạt động dựa trên đặc tính sắt điện, hiện tượng mà độ phân cực điện bên trong vật liệu có thể thay đổi được khi có ngoại lực tác động. Khi độ phân cực này thay đổi, nó sẽ tác động đến cường độ dòng điện chạy qua, cho phép thiết bị lưu trữ dữ liệu.
(*) Ferroelectric tunnel junction: là một loại bộ nhớ điện tử siêu nhỏ (cấp độ nano), lưu trữ dữ liệu dựa trên hiện tượng vật lý lượng tử. Có thể hình dung FTJ giống như một công tắc nguyên tử cấu tạo từ 3 lớp (như một chiếc bánh sandwich):
– 2 lớp ngoài: là hai điện cực dẫn điện.
– Lớp ở giữa: là một màng vật liệu sắt điện mỏng. Vì quá mỏng, các electron có thể tự động “đột phá” xuyên qua lớp cách điện này nhờ một hiện tượng lượng tử gọi là hiệu ứng đường hầm (tunneling effect).

Dù rất tiềm năng, các vật liệu truyền thống dùng cho loại bộ nhớ này lại gặp khó khăn khi bị thu nhỏ. Hệ quả là hiệu suất của linh kiện bị sụt giảm nghiêm trọng khi kích thước của chúng chạm ngưỡng giới hạn.

Tiềm năng từ hafnium oxide
Một bước ngoặt quan trọng vào năm 2011, khi các nhà khoa học phát hiện ra rằng hafnium oxide, một vật liệu phổ biến, có thể giữ nguyên độ phân cực điện ngay cả khi được dát mỏng. Dựa trên phát hiện này, Giáo sư Yutaka Majima cùng các cộng sự tại viện khoa học Tokyo (Institute of science Tokyo) đã phát triển một thiết bị bộ nhớ siêu nhỏ với kích thước chỉ 25 nanomet: tương đương 1/3.000 độ dày của một sợi tóc của con người.

Giải pháp cho vấn đề rò rỉ điện ở cấp độ nano
Việc thu nhỏ bộ nhớ xuống kích thước nano vấp phải một thách thức: dòng điện có xu hướng bị rò rỉ qua các ranh giới giữa các tinh thể siêu nhỏ trong vật liệu. Trở ngại này từ lâu đã ngăn cản việc thu nhỏ linh kiện.

Thay vì tìm cách bỏ qua vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã quyết định giải quyết nó bằng cách chế tạo thiết bị với kích thước nano. Giải pháp này vô tình làm giảm bớt tầm ảnh hưởng tiêu cực của các biên giới tinh thể đó.

Nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp chế tạo mới bằng cách nung nóng các điện cực để chúng tự động tạo thành hình dạng bán nguyệt. Thiết kế này tạo ra một cấu trúc gần như đồng nhất với một tinh thể đơn lẻ, đồng nghĩa với việc có ít ranh giới tinh thể hơn, vốn là nguyên nhân gây ra hiện tượng rò rỉ điện.

Bên cạnh việc đạt hiệu suất cao, thiết bị còn thể hiện một đặc tính mới: bộ nhớ hoạt động tốt hơn khi kích thước càng thu nhỏ, đảo ngược một định kiến đã tồn tại từ lâu trong ngành điện tử.

Tác động đến các thiết bị trong tương lai
Nếu được ứng dụng vào thực tế, công nghệ bộ nhớ kích thước nano có thể tạo ra những ảnh hưởng sâu rộng. Các thiết bị như đồng hồ thông minh có thể chạy hàng tháng chỉ với một lần sạc, và mạng lưới các cảm biến kết nối có thể hoạt động liên tục mà không cần thay pin một cách thường xuyên.

Trong lĩnh vực AI, loại bộ nhớ này có thể hỗ trợ tốc độ xử lý nhanh hơn trong khi tiêu thụ ít năng lượng hơn. Các nhà nghiên cứu tin rằng, vì vật liệu hafnium oxide vốn đã tương thích với các quy trình sản xuất bán dẫn hiện nay, việc tích hợp loại bộ nhớ mới này vào các thiết bị điện tử tiêu dùng hàng ngày có thể thực hiện một cách nhanh chóng.

Giáo sư Majima đã ví hành động thách thức những gì dường như là giới hạn của khoa học, như “không thể làm mọi thứ nhỏ hơn được nữa” hoặc “các thiết bị sẽ hư hỏng nếu bị thu nhỏ”, giống như “việc bước đi trong bóng tối”.

Ông Majima chia sẻ: “Đó là một cuộc chiến không ngừng nghỉ. Tuy nhiên, bằng cách hoài nghi các giả định truyền thống và tìm kiếm những phương thức mới để vượt qua các rào cản này, nhóm nghiên cứu đã khám phá ra một góc nhìn hoàn toàn mới.”

Ông Majima nói tiếp: “Rất vui mừng nếu thành tựu này khơi dậy trí tò mò của những người trẻ tuổi, những người sẽ định hình tương lai, và góp phần xây dựng một thế giới tốt đẹp hơn.”

Công trình nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí khoa học Nanoscale.

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

 

Nguồn: Electronics Online