Thảo Nông
Writer
Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Fudan ở Thượng Hải, Trung Quốc vừa công bố một đột phá có thể cách mạng hóa ngành công nghiệp lưu trữ và điện toán: công nghệ bộ nhớ Flash mới mang tên "PoX" (Phase-change Oxide) với tốc độ xử lý nhanh chưa từng thấy. Chip nhớ PoX có khả năng ghi dữ liệu chỉ trong 400 picosecond (một phần nghìn tỷ của giây), nhanh hơn tới 10.000 lần so với bộ nhớ flash NAND thông thường đang được sử dụng trong ổ cứng SSD và USB hiện nay.
Bí mật tốc độ: Graphene và "Bơm siêu phun 2D"
Để đạt được tốc độ phi thường này, nhóm nghiên cứu do Giáo sư Zhou Peng (Châu Bằng) dẫn đầu đã cải tiến hoàn toàn cấu trúc của bộ nhớ flash truyền thống. Thay vì dùng silicon, họ đã ứng dụng vật liệu graphene Dirac hai chiều (2D). Graphene nổi tiếng với cấu trúc siêu mỏng và khả năng cho phép các hạt điện tích (electron) di chuyển với tốc độ cực cao và gần như không có vật cản.
Bên cạnh vật liệu graphene, các nhà khoa học còn tinh chỉnh thiết kế kênh bộ nhớ, tạo ra một hiệu ứng vật lý mà họ gọi là "bơm siêu phun 2D" (2D super-injection). Cơ chế này cho phép một dòng điện tích cực nhanh và gần như không giới hạn "bơm" vào lớp lưu trữ của chip nhớ, vượt qua các giới hạn tốc độ vốn có của bộ nhớ flash thông thường. Giáo sư Châu Bằng cũng chia sẻ rằng việc sử dụng thuật toán AI để tối ưu hóa điều kiện thử nghiệm đã góp phần đáng kể vào thành công này.
Kết hợp ưu điểm, giải quyết "nút thắt cổ chai" AI
Điểm đột phá quan trọng nhất của PoX không chỉ nằm ở tốc độ mà còn ở việc nó vẫn giữ được tính chất "không bay hơi" (non-volatile) của bộ nhớ flash – tức là dữ liệu không bị mất đi khi nguồn điện bị ngắt. Điều này tạo ra một loại bộ nhớ vừa có tốc độ ghi/đọc siêu nhanh tiệm cận RAM (vốn là bộ nhớ "bay hơi" – volatile, mất dữ liệu khi mất điện), vừa có khả năng lưu trữ bền bỉ như SSD/USB.
Sự kết hợp độc đáo này có tiềm năng giải quyết "nút thắt cổ chai" về bộ nhớ đã tồn tại dai dẳng trong kiến trúc máy tính, đặc biệt là trong lĩnh vực phần cứng AI. Hiện nay, phần lớn năng lượng và thời gian xử lý bị lãng phí vào việc di chuyển dữ liệu qua lại giữa bộ nhớ RAM nhanh nhưng tạm thời và bộ nhớ lưu trữ flash chậm nhưng bền bỉ.
Với PoX, về lý thuyết, dữ liệu có thể được xử lý trực tiếp trên bộ nhớ không bay hơi siêu nhanh, giúp giảm đáng kể độ trễ, tiết kiệm năng lượng, giảm nhiệt độ hoạt động ("trì trệ và nóng lên"). Điều này mở ra khả năng chạy các mô hình AI khổng lồ (LLM) ngay tại chỗ trên các thiết bị cá nhân như điện thoại thông minh hoặc máy tính mà không cần phụ thuộc hoàn toàn vào các trung tâm dữ liệu đám mây.
Từ phòng thí nghiệm đến thực tế?
Công nghệ PoX hiện đã vượt qua giai đoạn ý tưởng. Nhóm nghiên cứu cho biết họ đang làm việc chặt chẽ với các đối tác sản xuất và đã hoàn thành bước xác minh tape-out (quy trình gửi thiết kế để sản xuất thử nghiệm) với kết quả ban đầu đầy hứa hẹn. Ông Liu Chunsen, một nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia về Hệ thống và Chip tích hợp thuộc Đại học Fudan, cho biết: "Chúng tôi đã có thể tạo ra một con chip quy mô nhỏ, hoạt động đầy đủ chức năng. Bước tiếp theo là tích hợp nó vào điện thoại thông minh và máy tính hiện có."
Tuy nhiên, câu hỏi lớn nhất vẫn là thời gian và khả năng mở rộng quy mô sản xuất công nghệ mới này với chi phí hợp lý để có thể tích hợp vào các thiết bị tiêu dùng hàng ngày. Cho đến lúc đó, PoX vẫn là một phát triển đột phá trong phòng thí nghiệm, đầy hứa hẹn nhưng cần thêm thời gian để chứng minh tính khả thi trên thị trường. Nếu thành công, nó có thể làm thay đổi cuộc chơi trong nhiều lĩnh vực, từ điện tử tiêu dùng đến các hệ thống tính toán hiệu năng cao và quân sự.
Bí mật tốc độ: Graphene và "Bơm siêu phun 2D"
Để đạt được tốc độ phi thường này, nhóm nghiên cứu do Giáo sư Zhou Peng (Châu Bằng) dẫn đầu đã cải tiến hoàn toàn cấu trúc của bộ nhớ flash truyền thống. Thay vì dùng silicon, họ đã ứng dụng vật liệu graphene Dirac hai chiều (2D). Graphene nổi tiếng với cấu trúc siêu mỏng và khả năng cho phép các hạt điện tích (electron) di chuyển với tốc độ cực cao và gần như không có vật cản.
Bên cạnh vật liệu graphene, các nhà khoa học còn tinh chỉnh thiết kế kênh bộ nhớ, tạo ra một hiệu ứng vật lý mà họ gọi là "bơm siêu phun 2D" (2D super-injection). Cơ chế này cho phép một dòng điện tích cực nhanh và gần như không giới hạn "bơm" vào lớp lưu trữ của chip nhớ, vượt qua các giới hạn tốc độ vốn có của bộ nhớ flash thông thường. Giáo sư Châu Bằng cũng chia sẻ rằng việc sử dụng thuật toán AI để tối ưu hóa điều kiện thử nghiệm đã góp phần đáng kể vào thành công này.
Kết hợp ưu điểm, giải quyết "nút thắt cổ chai" AI
Điểm đột phá quan trọng nhất của PoX không chỉ nằm ở tốc độ mà còn ở việc nó vẫn giữ được tính chất "không bay hơi" (non-volatile) của bộ nhớ flash – tức là dữ liệu không bị mất đi khi nguồn điện bị ngắt. Điều này tạo ra một loại bộ nhớ vừa có tốc độ ghi/đọc siêu nhanh tiệm cận RAM (vốn là bộ nhớ "bay hơi" – volatile, mất dữ liệu khi mất điện), vừa có khả năng lưu trữ bền bỉ như SSD/USB.
Sự kết hợp độc đáo này có tiềm năng giải quyết "nút thắt cổ chai" về bộ nhớ đã tồn tại dai dẳng trong kiến trúc máy tính, đặc biệt là trong lĩnh vực phần cứng AI. Hiện nay, phần lớn năng lượng và thời gian xử lý bị lãng phí vào việc di chuyển dữ liệu qua lại giữa bộ nhớ RAM nhanh nhưng tạm thời và bộ nhớ lưu trữ flash chậm nhưng bền bỉ.
Với PoX, về lý thuyết, dữ liệu có thể được xử lý trực tiếp trên bộ nhớ không bay hơi siêu nhanh, giúp giảm đáng kể độ trễ, tiết kiệm năng lượng, giảm nhiệt độ hoạt động ("trì trệ và nóng lên"). Điều này mở ra khả năng chạy các mô hình AI khổng lồ (LLM) ngay tại chỗ trên các thiết bị cá nhân như điện thoại thông minh hoặc máy tính mà không cần phụ thuộc hoàn toàn vào các trung tâm dữ liệu đám mây.
Từ phòng thí nghiệm đến thực tế?
Công nghệ PoX hiện đã vượt qua giai đoạn ý tưởng. Nhóm nghiên cứu cho biết họ đang làm việc chặt chẽ với các đối tác sản xuất và đã hoàn thành bước xác minh tape-out (quy trình gửi thiết kế để sản xuất thử nghiệm) với kết quả ban đầu đầy hứa hẹn. Ông Liu Chunsen, một nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia về Hệ thống và Chip tích hợp thuộc Đại học Fudan, cho biết: "Chúng tôi đã có thể tạo ra một con chip quy mô nhỏ, hoạt động đầy đủ chức năng. Bước tiếp theo là tích hợp nó vào điện thoại thông minh và máy tính hiện có."
Tuy nhiên, câu hỏi lớn nhất vẫn là thời gian và khả năng mở rộng quy mô sản xuất công nghệ mới này với chi phí hợp lý để có thể tích hợp vào các thiết bị tiêu dùng hàng ngày. Cho đến lúc đó, PoX vẫn là một phát triển đột phá trong phòng thí nghiệm, đầy hứa hẹn nhưng cần thêm thời gian để chứng minh tính khả thi trên thị trường. Nếu thành công, nó có thể làm thay đổi cuộc chơi trong nhiều lĩnh vực, từ điện tử tiêu dùng đến các hệ thống tính toán hiệu năng cao và quân sự.
