Công nghệ bộ nhớ mới hướng tới việc lưu trữ thông tin ở cấp độ từng electron - Ảnh đồ họa: TUẤN VĨ
Một công trình đăng trên tạp chí Science cho thấy việc thêm hoặc bớt chỉ một electron có thể tạo ra mức thay đổi điện áp ngưỡng khoảng 0,5V trong một thiết bị nhớ hai chiều. Quan trọng hơn, tín hiệu này có thể được nhận biết ngay ở nhiệt độ phòng.
Vì sao một electron lại đáng chú ý?
Dữ liệu trên điện thoại, máy tính hay máy chủ cuối cùng đều được biểu diễn bằng các bit 0 và 1. Với nhiều loại bộ nhớ điện tử, để phân biệt hai trạng thái này, thiết bị cần kiểm soát lượng điện tích đủ lớn để tín hiệu không bị nhầm lẫn với nhiễu.
Theo Zhou Peng, một trong những nhà nghiên cứu dẫn dắt công trình, DRAM tiên tiến hiện nay thường cần khoảng 200.000 electron để lưu một bit thông tin.
Mục tiêu của bộ nhớ đơn electron là đưa con số này xuống giới hạn thấp nhất: một electron cho một trạng thái nhớ.
Đưa lượng điện tích xuống chỉ còn một electron là bài toán khó bởi tín hiệu do một electron tạo ra rất nhỏ. Khi linh kiện được thu nhỏ, các tương tác điện không mong muốn giữa những thành phần xung quanh có thể làm mờ tín hiệu mà nhà nghiên cứu muốn quan sát.
Những thử nghiệm trước đây từng phát hiện hiệu ứng lưu trữ đơn electron ở nhiệt độ phòng, nhưng tín hiệu còn yếu và trạng thái khó duy trì lâu. Một thiết bị được báo cáo năm 1997 tạo ra mức thay đổi khoảng 55mV và trạng thái chỉ tồn tại khoảng 5 giây.
Nhóm Đại học Phúc Đán xử lý vấn đề bằng vật liệu hai chiều có độ dày gần cấp nguyên tử, kết hợp cấu trúc drain-channel-source nằm trên cùng một mặt phẳng. Thiết kế này giúp giảm ảnh hưởng của điện dung ký sinh quanh vùng lưu trữ.
Kết quả là khi thêm hoặc lấy đi một electron, điện áp ngưỡng của thiết bị thay đổi khoảng 0,5V, lớn hơn đáng kể so với tín hiệu trong những thử nghiệm trước.
Trong phép đo trực tiếp, các trạng thái riêng biệt còn được giữ trong ít nhất 5.000 giây, tương đương hơn 83 phút, ở nhiệt độ phòng.
Điểm quan trọng vì thế không chỉ là "nhìn thấy một electron". Thiết bị phải biến sự thay đổi cực nhỏ đó thành tín hiệu đủ rõ để đọc, đồng thời giữ trạng thái đủ ổn định để có ý nghĩa đối với công nghệ lưu trữ.
Mở hướng cho bộ nhớ nhỏ, tiết kiệm điện hơn
Nếu công nghệ có thể được mở rộng thành các mảng bộ nhớ lớn, việc cần ít điện tích hơn cho mỗi trạng thái có thể giúp thu nhỏ ô nhớ, tăng mật độ lưu trữ và giảm năng lượng cần cho quá trình ghi dữ liệu.
Những cải tiến này có thể đặc biệt hữu ích với smartphone, laptop và máy chủ, nơi lượng dữ liệu cần lưu trữ và di chuyển giữa bộ xử lý với bộ nhớ ngày càng lớn.
Bộ nhớ có kích thước nhỏ hơn cũng mở ra khả năng đặt nhiều ô nhớ hơn trên cùng diện tích chip hoặc đưa bộ nhớ đến gần bộ xử lý hơn, từ đó giảm thời gian và năng lượng cần để truyền dữ liệu.
Tuy nhiên, công nghệ hiện vẫn ở giai đoạn nghiên cứu. Để có thể thương mại hóa, nhóm phát triển còn phải chứng minh khả năng tạo ra số lượng lớn ô nhớ hoạt động đồng đều, đồng thời đáp ứng các yêu cầu về tốc độ đọc, ghi, độ bền, tỉ lệ lỗi và khả năng sản xuất hàng loạt.
Nghiên cứu vì vậy chưa đồng nghĩa điện thoại hay máy tính sẽ sớm sử dụng "bộ nhớ một electron". Giá trị lớn nhất hiện tại là chứng minh một electron riêng lẻ có thể tạo ra trạng thái nhớ rõ và ổn định ở nhiệt độ phòng, mở thêm một hướng phát triển khi công nghệ bán dẫn tiếp tục tiến gần các giới hạn vật lý.
