Máy tính ngày càng nhanh hơn và thông minh hơn, nhưng chúng vẫn phải đối mặt với một thách thức lớn: làm thế nào để lưu trữ và xử lý lượng lớn dữ liệu một cách hiệu quả và đáng tin cậy. 

Xem thêm:

Máy tính lượng tử đánh bại siêu máy tính trong một số vấn đề vật lý

Đột phá mới trong việc tạo ra mạng lượng tử với máy tính lượng tử siêu dẫn

Các công nghệ bộ nhớ hiện tại có những hạn chế về tốc độ, mật độ và mức tiêu thụ năng lượng, điều này có thể cản trở sự phát triển của các công nghệ truyền thông và internet được dự đoán sẽ tiêu thụ một con số khổng lồ 31% năng lượng toàn cầu vào năm 2030. 

Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta có thể thiết kế bộ nhớ máy tính mà bắt chước cách bộ não của chúng ta hoạt động? Đó chính xác là những gì các nhà nghiên cứu từ Đại học Cambridge đã làm, sử dụng một vật liệu phổ biến được tìm thấy trong ngành công nghiệp bán dẫn. 

máy tính
Các khớp thần kinh tạo ra ý tưởng cải thiện bộ nhớ máy tính

Công nghệ bộ nhớ mới của họ có thể mang lại những lợi thế đáng kể so với những công nghệ hiện có, chẳng hạn như dung lượng cao hơn, hiệu suất tốt hơn và mức sử dụng năng lượng thấp hơn. Đây là cách họ đã làm nó.

Sức mạnh của các khớp thần kinh

Bộ não con người bao gồm hàng tỷ tế bào thần kinh giao tiếp với nhau thông qua các khớp thần kinh. Các khớp thần kinh là các điểm nối nơi các tín hiệu điện được truyền từ nơ-ron này sang nơ-ron khác. Chúng cũng lưu trữ thông tin bằng cách thay đổi sức mạnh hoặc sức đề kháng tùy thuộc vào hoạt động của các tế bào thần kinh.

Điều này có nghĩa là các khớp thần kinh có thể xử lý và lưu trữ thông tin ở cùng một vị trí, không giống như các thiết bị bộ nhớ máy tính thông thường tách các chức năng này thành các thành phần khác nhau. Sự tách biệt này gây ra sự chậm trễ và tổn thất năng lượng khi dữ liệu phải được truyền giữa các đơn vị xử lý và đơn vị bộ nhớ.

máy tính
Cấu trúc 3D Hafnium oxit

Các nhà nghiên cứu muốn tạo ra các thiết bị bộ nhớ máy tính có thể mô phỏng chức năng của các khớp thần kinh. Để làm điều này, họ đã sử dụng hafni oxit, một vật liệu được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp bán dẫn để chế tạo bóng bán dẫn. 

Hafnium oxit có một đặc tính gọi là chuyển mạch điện trở, có nghĩa là điện trở của nó có thể thay đổi bằng cách đặt một điện trường. Điều này cho phép nó lưu trữ thông tin ở các trạng thái kháng cự khác nhau, thay vì chỉ ở trạng thái nhị phân (0 hoặc 1). Bằng cách sử dụng chuyển mạch điện trở, oxit hafnium có thể lưu trữ nhiều thông tin hơn trong không gian ít hơn so với các thiết bị bộ nhớ thông thường.

Thành phần bí mật: Bari

Tuy nhiên, chỉ riêng oxit hafnium là không đủ để đạt được các thiết bị bộ nhớ hiệu suất cao. Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng bằng cách thêm một lượng nhỏ bari vào các màng mỏng oxit hafnium, họ có thể tạo ra các cầu nối giàu bari có cấu trúc bên trong vật liệu. 

Những cây cầu này hoạt động như những con đường cho các electron chạy qua vật liệu trong khi vẫn duy trì bản chất phi cấu trúc của nó. Sự kết hợp giữa cấu trúc và sự rối loạn này cho phép dòng điện tử được kiểm soát và chuyển đổi điện trở đồng nhất trên vật liệu.

bộ nhớ máy tính
Bari là một trong những nguyên tố quen thuộc

Tiến sĩ Sohini Kar-Narayan, người đứng đầu nhóm nghiên cứu tại Khoa Khoa học Vật liệu và Luyện kim tại Đại học Cambridge, giải thích: “Chúng tôi nhận thấy rằng việc thêm bari vào hafnium oxit sẽ tạo ra một vật liệu composite tự lắp ráp có tính đồng nhất và hiệu suất tuyệt vời trên diện rộng. khu vực. Điều này rất quan trọng để nhân rộng công nghệ cho các ứng dụng thực tế.”

Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng bằng cách thay đổi lượng bari trong màng oxit hafnium, họ có thể điều chỉnh các trạng thái điện trở của vật liệu và đạt được một dải trạng thái liên tục thay vì các trạng thái rời rạc. Điều này có nghĩa là vật liệu này có thể lưu trữ nhiều thông tin hơn trên một đơn vị diện tích so với các thiết bị bộ nhớ thông thường. Ví dụ, một chiếc USB được làm bằng công nghệ này có thể chứa lượng thông tin gấp 10 đến 100 lần so với những chiếc USB hiện tại.

Tương lai của máy tính

Các nhà nghiên cứu đã đăng ký bằng sáng chế cho công nghệ bộ nhớ mới của họ và đang hợp tác với các đối tác trong ngành để tiến hành các nghiên cứu khả thi lớn hơn. Họ tin rằng công nghệ của họ có thể dễ dàng tích hợp vào các quy trình sản xuất hiện tại vì hafni oxit đã được sử dụng trong ngành công nghiệp bán dẫn.

Tiến sĩ Kar-Narayan cho biết: “Công nghệ của chúng tôi có tiềm năng cách mạng hóa điện toán bằng cách cho phép xử lý và lưu trữ dữ liệu nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Nó cũng có thể cho phép các ứng dụng mới trong trí tuệ nhân tạo và học máy, những nơi cần một lượng lớn dữ liệu được lưu trữ và xử lý song song.”

Nhà nghiên cứu nói thêm: “Chúng tôi lấy cảm hứng từ cách bộ não của chúng ta hoạt động và cách các khớp thần kinh có thể lưu trữ và xử lý thông tin đồng thời. Chúng tôi hy vọng rằng các thiết bị bộ nhớ lấy cảm hứng từ bộ não của chúng tôi sẽ mở đường cho các hệ thống máy tính thông minh và bền vững hơn trong tương lai.”

Nghiên cứu được đăng trên: Science Advances

Share.
Theo dõi
Thông báo của
guest
0 Góp ý
Phản hồi nội tuyến
Xem tất cả bình luận