Trung Quốc đột phá công nghệ chip nhớ: Độ bền tăng 100 lần, vượt 10 tỷ chu kỳ ghi
Các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã phát triển phương pháp giúp tăng đáng kể độ bền của một loại chip nhớ thế hệ mới, qua đó có thể tháo gỡ rào cản quan trọng đối với việc ứng dụng công nghệ này trong điện toán hiệu năng cao và các hệ thống trí tuệ nhân tạo (AI) tương lai.
Nhóm nghiên cứu đã chứng minh vật liệu sắt điện wurtzite có thể chịu được hơn 10 tỷ chu kỳ ghi dữ liệu, cao gấp khoảng 100 lần so với mức từng đạt được trước đây trên cùng loại vật liệu. Kết quả này được kỳ vọng mở đường cho một công nghệ bộ nhớ thế hệ mới, trong bối cảnh nhu cầu chip tiên tiến tăng mạnh do sự bùng nổ của AI.
Theo tờ Xi'an Daily, nghiên cứu do các nhà khoa học tại Đại học Điện tử và Khoa học Tây An phối hợp với Đại học Thành phố Hồng Kông và Đại học Phúc Đán thực hiện. Công trình được công bố trên tạp chí Science hôm 10/9.
Vật liệu sắt điện wurtzite, trong đó có nhôm scandium nitride (AlScN), đang nhận được sự quan tâm trong lĩnh vực bán dẫn nhờ khả năng chuyển đổi trạng thái điện nhanh và tiềm năng tiêu thụ ít năng lượng. Đây được xem là một ứng viên đáng chú ý cho các công nghệ bộ nhớ thế hệ tiếp theo.
Một ưu điểm quan trọng khác của AlScN là khả năng tương thích với các quy trình sản xuất chất bán dẫn hiện có. Điều này có thể giúp các nhà sản xuất tích hợp vật liệu vào những thiết bị bộ nhớ mới mà không phải xây dựng lại hoàn toàn quy trình chế tạo.
Tuy nhiên, AlScN từ lâu gặp phải một vấn đề lớn về độ bền. Sau khi được chuyển đổi trạng thái điện liên tục, vật liệu sẽ dần suy giảm và các thiết bị sử dụng nó thường chỉ hoạt động được khoảng 100 triệu chu kỳ ghi. Con số này vẫn thấp hơn đáng kể so với yêu cầu lên tới hàng tỷ chu kỳ để một công nghệ bộ nhớ có thể tiến tới ứng dụng thương mại rộng rãi.
Nhóm nghiên cứu cho biết họ đã xác định được một trong những nguyên nhân quan trọng dẫn tới hiện tượng này là sự tích tụ của các khuyết tật thiếu nitơ, tức những vị trí trong cấu trúc vật liệu vốn phải có nguyên tử nitơ nhưng lại bị bỏ trống.
Các khiếm khuyết này có thể tạo thành những đường dẫn khiến dòng điện rò rỉ qua chip. Khi thiết bị liên tục chuyển đổi giữa hai trạng thái điện để ghi dữ liệu, các chỗ khuyết nitơ không đứng yên mà có thể dịch chuyển và tập trung lại, dần hình thành những đường rò điện xuyên qua vật liệu. Quá trình này khiến hiệu suất suy giảm và cuối cùng có thể dẫn tới hỏng chip.
Wang Ruiqing, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Điện tử và Khoa học Tây An, một trong những tác giả của nghiên cứu, ví cấu trúc vật liệu như một cánh đồng ngô được trồng ngay ngắn. Trong hình dung này, những chỗ khuyết nitơ giống như các khoảng đất bị bỏ trống, nơi đáng lẽ phải có cây ngô.
Theo Wang, vấn đề không đơn thuần nằm ở số lượng khiếm khuyết mà còn ở cách chúng dịch chuyển trong quá trình vật liệu liên tục chuyển đổi trạng thái. Khi các chỗ khuyết di chuyển và tập trung lại, chúng có thể tạo thành những “con đường” cho dòng điện rò qua vật liệu, cuối cùng dẫn đến sự cố.
Theo nhóm nghiên cứu, trước đây giới khoa học đã biết các thiết bị sử dụng vật liệu này có thể bị suy giảm sau một thời gian hoạt động, đồng thời quan sát được những biểu hiện của hiện tượng hỏng. Tuy nhiên, cơ chế diễn ra ở cấp độ nguyên tử, bao gồm những gì di chuyển, cách chúng di chuyển và vì sao quá trình đó dẫn tới hỏng thiết bị, vẫn chưa được giải thích đầy đủ.
Để giải quyết vấn đề, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một cấu trúc vật liệu dạng lớp, nhằm hạn chế sự dịch chuyển của các chỗ khuyết nitơ.
Việc kiểm soát chuyển động và ngăn các khiếm khuyết này tích tụ giúp làm chậm đáng kể quá trình xuống cấp của vật liệu. Nhờ đó, thiết bị thử nghiệm có thể chịu được hơn 10 tỷ chu kỳ ghi dữ liệu, tăng khoảng 100 lần so với kết quả trước đây.
Thành tựu này có thể đưa bộ nhớ sắt điện tiến gần hơn tới khả năng ứng dụng thực tế trong các hệ thống máy tính tương lai. Nếu tiếp tục được chứng minh ở quy mô lớn hơn, công nghệ có thể mở ra hướng phát triển các chip nhớ mật độ cao, tốc độ nhanh và tiêu thụ ít năng lượng.
Dù vẫn đang ở giai đoạn phòng thí nghiệm, kết quả được công bố vào thời điểm ngành bán dẫn toàn cầu chịu sức ép phải phát triển những loại chip có hiệu năng cao hơn và độ tin cậy lớn hơn để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng từ AI. Việc nâng độ bền của vật liệu lên mức hàng chục tỷ chu kỳ có thể trở thành một bước quan trọng để biến công nghệ bộ nhớ sắt điện từ một hướng nghiên cứu tiềm năng thành giải pháp có khả năng phục vụ các hệ thống điện toán thế hệ mới.
