Việc xây dựng chip NAND bằng bóng bán dẫn ferroelectric (FeFETs) có thể cắt giảm đáng kể mức tiêu thụ điện năng, theo một nghiên cứu mới từ Viện Công nghệ Tiên tiến Samsung (SAIT). Công ty cho biết họ cuối cùng đã giải quyết được các vấn đề lâu năm về khả năng mở rộng dung lượng và phạm vi bộ nhớ (memory windows), vốn làm suy yếu các nỗ lực trước đó. Trong bối cảnh cơn sốt AI đang thúc đẩy việc xây dựng các trung tâm dữ liệu khổng lồ, nhu cầu về bộ nhớ liên tục tăng cao – kéo theo đó là mức tiêu thụ điện năng vốn đã cao của các chip NAND hiện nay. Các nhà nghiên cứu của Samsung đang đề xuất một kiến trúc mới có thể giảm mạnh chi phí năng lượng này. Các thiết bị di động cũng có thể được hưởng lợi nếu những phát hiện này được áp dụng rộng rãi.
FeFETs: Khai tử điện áp Pass Voltage và giảm 96% điện năng
Theo truyền thống, chip NAND được mở rộng quy mô bằng cách xếp chồng các lớp lên nhau. Vấn đề là để khai thác triệt để dung lượng bộ nhớ, cần phải đẩy điện năng qua các lớp này theo trình tự. Điện áp này (gọi là Pass Voltage) tăng lên theo mỗi lớp được thêm vào, kéo theo tổng mức tiêu thụ điện năng cũng tăng theo. Các nỗ lực trước đây nhằm giới hạn mức tiêu thụ điện đã dẫn đến việc giảm phạm vi bộ nhớ (memory windows). Ngay cả các đề xuất khác dựa trên vật liệu ferroelectrics cũng không thể giải quyết được sự cân bằng giữa khả năng mở rộng dung lượng và hiệu quả năng lượng.
Cách tiếp cận của Samsung kết hợp các chất bán dẫn oxit với cấu trúc ferroelectric để tạo thành bóng bán dẫn hiệu ứng trường ferroelectric (FeFETs), loại bỏ những hạn chế trên. FeFETs loại bỏ hoàn toàn Pass Voltage, điều này giúp giảm mức tiêu thụ điện năng lên tới 96% so với chip NAND thông thường. Đồng thời, chúng duy trì được mật độ ô đa cấp (multi-level cell density) lên tới năm bit mỗi ô – tương đương, hoặc tốt hơn, so với bộ nhớ cao cấp nhất hiện nay. Samsung đề xuất mở rộng quy mô thiết kế FeFET bằng cách xếp chồng các bóng bán dẫn với các kênh ngắn 25 nm.
Các phát hiện này, được thực hiện bởi hơn 30 nhà nghiên cứu từ viện công nghệ và trung tâm R&D bán dẫn của Samsung, gần đây đã được công bố trên tạp chí Nature. Công trình này là một minh chứng cho sự đổi mới vật liệu và kiến trúc chip nhớ trong ngành công nghiệp bán dẫn.
Tác động tới AI và tương lai thiết bị không pin
Các bộ xử lý AI và trung tâm dữ liệu yêu cầu rất nhiều bộ nhớ, đến mức chúng đã làm gián đoạn ngành công nghiệp NAND, với tình trạng thiếu hụt dự kiến sẽ kéo dài ít nhất đến năm 2026. Việc cắt giảm gần 100% điện năng bộ nhớ có thể làm giảm đáng kể tổng lượng năng lượng tiêu thụ của phần cứng AI. Sự ra đời của FeFETs hứa hẹn giải quyết được thách thức về năng lượng trong việc xây dựng các trung tâm dữ liệu khổng lồ.
Samsung không đơn độc trong lĩnh vực này. Các công ty khác cũng đang khám phá các con đường ferroelectric để xây dựng bộ nhớ liên tục, không bay hơi (non-volatile memory) – loại bộ nhớ giữ lại dữ liệu sau khi mất điện. Liệu cách tiếp cận này có chiếm ưu thế hơn các đối thủ cạnh tranh khác hay không vẫn còn phải xem, nhưng những tác động tiềm tàng có thể rất lớn đối với mọi thứ, từ tính toán quy mô lớn cho đến các công nghệ tiêu dùng hàng ngày.
Các nhà nghiên cứu định vị công nghệ này là một tuyến đường tiềm năng cho các hệ thống cảm biến tự hành, không cần bảo trì, vốn sẽ lấy năng lượng trực tiếp từ môi trường của chúng. Sự phát triển này mở ra cánh cửa cho các thiết bị di động có thể giảm đáng kể sự phụ thuộc vào pin, một bước tiến lớn cho ngành công nghiệp điện tử tiêu dùng.
