Công nghệ giúp tăng độ bền chip nhớ

Một nhóm nghiên cứu từ Đại học Khoa học Kỹ thuật Điện tử Tây An, Đại học Thành phố Hong Kong và Đại học Phúc Đán vừa công bố phương pháp kéo dài đáng kể tuổi thọ của chip nhớ sắt điện. Theo VnExpress dẫn các nguồn SCMP, NeoTeo và Tech Radar, kết quả này có thể hỗ trợ sự phát triển của máy tính hiệu suất cao cùng những hệ thống trí tuệ nhân tạo trong tương lai. Nghiên cứu được trình bày trên tạp chí Science ngày 10/9, trong bối cảnh nhu cầu vật liệu bán dẫn tiên tiến tăng nhanh theo sự bùng nổ của AI. Điểm nổi bật nằm ở khả năng giúp vật liệu sắt điện cấu trúc wurtzite chịu được hơn 10 tỷ chu kỳ ghi dữ liệu. Con số này cao khoảng 100 lần mức đạt được trước đó, qua đó đưa công nghệ bộ nhớ thế hệ mới tiến gần hơn tới các ứng dụng phần cứng thực tế. Nếu tiếp tục chứng minh được độ ổn định trong những thử nghiệm quy mô lớn, phương pháp này có thể tạo nền tảng cho chip nhớ bền hơn, mật độ cao hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Bộ nhớ sắt điện là một dạng bộ nhớ không bay hơi thử nghiệm, lưu thông tin nhờ hướng phân cực điện bên trong vật liệu thay vì chỉ dựa vào nguồn điện liên tục. Cấu trúc wurtzite thuộc nhóm tinh thể lục phương, trong đó những vật liệu như nhôm scandium nitride, thường viết là AlScN, đang nhận nhiều sự quan tâm từ giới nghiên cứu bán dẫn. AlScN có tốc độ chuyển đổi nhanh, tiêu thụ ít năng lượng và tương thích với các quy trình sản xuất hiện nay, giúp việc tích hợp vào thiết bị tương lai thuận lợi hơn. Tuy nhiên, AlScN vẫn đối mặt nhược điểm lớn vì vật liệu nhanh xuống cấp sau nhiều lần chuyển đổi trạng thái điện liên tiếp. Các thiết bị hiện tại thường hỏng sau khoảng 100 triệu chu kỳ ghi, thấp hơn rất xa yêu cầu lên tới hàng tỷ chu kỳ của những sản phẩm thương mại. Khoảng cách lớn giữa khả năng trong phòng thí nghiệm và tiêu chuẩn sử dụng thực tế từng khiến triển vọng của loại bộ nhớ này bị hạn chế. Nhóm nghiên cứu xác định sự tích tụ lỗ trống nitơ, tức những vị trí bị thiếu nguyên tử nitơ trong vật liệu, là nguyên nhân chính làm chip suy giảm nhanh. Wang Ruiqing, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Khoa học Kỹ thuật Điện tử Tây An và là một tác giả bài báo, ví vật liệu như cánh đồng ngô trồng ngay ngắn. Trong cách hình dung đó, mỗi lỗ trống nitơ giống một chỗ thiếu cây, ban đầu có vẻ nhỏ nhưng dần gây ảnh hưởng tới toàn bộ cấu trúc. Các lỗ trống nitơ không đứng yên mà có thể di chuyển trong vật liệu, sau đó tập hợp thành những vùng khuyết tật ngày càng lớn. Khi liên kết với nhau, chúng hình thành đường dẫn cho dòng điện rò qua vật liệu, làm suy yếu khả năng lưu trữ và cuối cùng khiến thiết bị hỏng. Vì vậy, việc kiểm soát chuyển động cùng sự tích tụ của những lỗ trống này trở thành chìa khóa để cải thiện độ bền chip nhớ. Để xử lý vấn đề, các nhà khoa học thiết kế cấu trúc nhiều lớp nhằm cản trở lỗ trống nitơ di chuyển và ngăn chúng tập trung tại một khu vực. Cách tiếp cận này làm chậm đáng kể quá trình xuống cấp của AlScN, giúp thiết bị vượt mốc 10 tỷ chu kỳ ghi trong thử nghiệm. Quá trình phân tích đặc tính vật liệu cũng được thực hiện trực tiếp trên tấm wafer, cho phép nhóm đánh giá rõ hơn hành vi của cấu trúc trong điều kiện gần sản xuất. Kết quả hiện vẫn thuộc giai đoạn thí nghiệm, chưa đồng nghĩa công nghệ đã sẵn sàng xuất hiện rộng rãi trong các thiết bị thương mại. Dù vậy, thành tựu này mở ra hướng chế tạo bộ nhớ sắt điện bền hơn, phục vụ chip dung lượng lớn, hệ thống tính toán hiệu suất cao và các ứng dụng AI. Theo Tech Radar được VnExpress dẫn lại, RAM cùng bộ lưu trữ dựa trên AlScN, nếu phát triển thành công, có thể trở thành nền tảng cho cụm máy chủ tương lai và hỗ trợ mô hình ngôn ngữ lớn.