Ngay sau khi kỉ niệm 100 năm thành lập thì IBM mới đây đã công bố một phát minh "động trời" trong lĩnh vực bộ nhớ cho thiết bị điện tử. Công ty cho biết, bộ nhớ có tên gọi Phase-Change Memory (PCM) - tạm dịch là bộ nhớ thay đổi giai đoạn là một hình thức lưu trữ hoàn toàn mới cho tốc độ đọc và ghi nhanh hơn 100 lần so với bộ nhớ flash, chu kì ghi chép dữ liệu lên đến hàng triệu lần so với con số hàng nghìn của flash và đặc biệt là giá thành sản xuất đủ thấp để có thể sử dụng trên mọi thiết bị từ các hệ thống máy trạm cho đến điện thoại di động.
PCM có cấu tạo dựa trên một lõi hợp kim đặc biệt, có thể chuyển dịch sang nhiều trạng thái vật lý khác nhau (gọi là giai đoạn) do tác động của các dòng xung điện. Trước đây, công nghệ trên đã gặp phải một vấn đề lớn. Cụ thể là một trạng thái của lõi hợp kim có khuynh hướng đảo về trạng thái nghỉ và ngăn cản dòng điện, khiến bộ nhớ không thể đọc được. Hơn nữa, bộ nhớ vẫn tồn tại giới hạn lưu trữ, tức là mỗi phân tử hợp kim chỉ có thể lưu 1 bit đơn dữ liệu.
Sau nhiều cải tiến, giờ đây các kĩ sư IBM đã có thể tự tin vào phiên bản mới nhất của PCM. Không chỉ có độ tin cậy cao, mỗi phân tử hợp kim đã có thể lưu được 4 bit dữ liệu và điều này có nghĩa trong vòng 5 năm tới, PCM sẽ trở thành một tiêu chuẩn mới cho bộ nhớ lưu trữ. Dưới đây là thông cáo báo chí của IBM:
Trích:
ZURICH, 30 tháng 6 năm 2011 - Lần đầu tiên, các nhà khoa học tại IBM Reseaerch đã chứng minh thành công công nghệ bộ nhớ mới được biết đến với tên gọi Phase-Change Memory (PCM) có thể lưu trữ được nhiều bit dữ liệu trên mỗi phân tử hợp kim qua nhiều giai đoạn thời gian. Những cải tiến quan trọng của PCM sẽ cho phép phát triển và chế tạo các bộ nhớ giá rẻ, tốc độ nhanh, độ bền cao và có thể sử dụng trên các thiết bị điện tử tiêu dùng như điện thoại di động cũng như các ứng dụng cấp cao khác như dịch vụ lưu trữ đám mây, bộ nhớ máy chủ. Với sự kết hợp giữa tốc độ, độ bền, tính ổn định và mật độ dày đặc, PCM sẽ trở thành một loại hình lưu trữ thay thế dành cho các doanh nghiệp và hệ thống lưu trữ trong vòng 5 năm tới.
Từ trước đến nay, các nhà khoa học đã không ngừng tìm kiếm một công nghệ bộ nhớ với thời gian lưu trữ dài lâu và hiệu suất cao nhằm thay thế cho bộ nhớ flash. Lợi ích mà nó mang lại sẽ giúp các máy tính, máy chủ khởi động gần như ngay lập tức và cải thiện một cách đáng kể hiệu suất tổng thế của hệ thống. Vì vậy, PCM hứa hẹn sẽ tăng tốc độ đọc/ghi lên đến 100 lần so với flash, dung lượng lưu trữ lớn và đảm bảo không mất dữ liệu khi ngắt nguồn điện. Không giống như flash, PCM rất bền và chu kì sao chép dữ liệu có thể lên đến 10 triệu lần, so sánh với bộ nhớ flash theo cấp độ doanh nghiệp (enterprise-class) là 30,000 lần và bộ nhớ flash theo cấp độ tiêu dùng (consumer-class) là 3000 lần. Trong khi loại bộ nhớ flash dành cho người dùng thông thường đã xuất hiện phổ biến trên hầu hết các thiết bị điện tử thì loại bộ nhớ flash dành cho doanh nghiệp vẫn được cung cấp hạn chế theo đơn đặt hàng và không thật sự phù hợp với các ứng dụng quy mô lớn.
"Khi các tổ chức và người dùng đang dần chú ý đến loại hình điện toán và dịch vụ đám mây - nơi hầu hết dữ liệu đều được lưu trữ và xử lý trên đám mây thì nhu cầu về một công nghệ lưu trữ mạnh mẽ, hiệu quả và an toàn đang trở nên cần thiết hơn bao giờ hết," giám đốc quản lý bộ phận công nghệ bộ nhớ và cảm biến tại IBM Research - Zurich, Haris Pozidis nhấn mạnh. "Bằng việc chứng minh khả năng của công nghệ lưu trữ đa bit dữ liệu với bộ nhớ PCM, chúng tôi đã thực hiện một bước tiến quan trọng nhằm hiện thực hóa các thiết bị lưu trữ dựa trên công nghệ PCM."
Chứng minh khả năng lưu trữ đa cấp của PCM:
Để chứng minh, các nhà khoa học của IBM tại Zurich đã sử dụng các kỹ thuật mã hóa điều biến tiên tiến nhằm giảm thiểu sai lệch ngắn hạn trong bộ nhớ lưu trữ đa bit PCM vốn là nguyên nhân dẫn đến hiện tượng thay đổi mức lưu trữ theo thời gian và gây lỗi không thể đọc của bộ nhớ.
PCM hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở xảy ra trong vật liệu - ở đây là một hợp kim chứa nhiều nguyên tố, khi nó thay đổi trạng thái từ dạng tinh thể (có điện trở thấp) sang vô định hình (có điện trở cao) để lưu trữ các bit dữ liệu. Trong PCM, mỗi phân tử hợp kim sẽ được kết tủa ở giữa phần đầu và đuôi của điện cực. Vì vậy, vật liệu sẽ thay đổi trang thái theo sự khác biệt về điện áp và độ lớn của dòng xung điện. Dòng điện làm nóng vật liệu và khi đạt ngưỡng nhiệt độ cần thiết, vật liệu sẽ thay đổi từ dạng tinh thể sang vô định hình hoặc ngược lại.
Thêm vào đó, lượng vật liệu giữa các điện cực trải qua quá trình thay đổi trạng thái sẽ phụ thuộc vào điện áp, qua đó tác động trực tiếp đến sức cản điện của phân tử. Các nhà khoa học đã khai thác đặc tính này để tăng số bit lưu trữ dữ liệu trên mỗi phân tử từ 1 lên 4 hoặc hơn. Với thành quả hiện tại, các nhà khoa học của IBM đã sử dụng 4 mức điện trở riêng biệt để lưu trữ kết hợp các bit "00", "01", "10" và "11".
Để chứng minh độ tin cậy của bộ nhớ, nhóm nghiên cứu phải sử dụng các kỹ thuật cao cấp hơn nhằm kiểm tra quy trình xử lý "đọc" và "ghi" của PCM. Cụ thể, họ đã lặp đi lặp lại quy trình "ghi" của bộ nhớ nhằm khắc phục những sai lệch trong điện trở do đặc tính biến thiên cố hữu của phân tử bộ nhớ và vật liệu thay đổi trạng thái. Giáo sư Pozidis giải thích: "Chúng tôi đặt vào một xung điện áp dựa trên độ sai lệch mong muốn và sau đó đo điện trở. Nếu không đạt được điện trở mong muốn, chúng tôi tiếp tục đặt vào một xung điện áp khác và đo lại cho đến khi có được kết quả cần thiết." Kết quả "tồi nhất" về độ trễ khi ghi dữ liệu là vào khoảng 10 micro giây . Tuy nhiên, con số này đã nhanh hơn gấp 100 lần độ trễ của bộ nhớ flash tiên tiến nhất hiện nay.
Để chứng minh khả năng đọc các bit dữ liệu của PCM, nhóm nghiên cứu cần phải giải quyết vấn đề thay đổi điện trở. Do cấu trúc nghỉ của nguyên tử nằm trong trạng thái vô định hình, điện trở sẽ tăng dần theo thời gian sau khi thay đổi trạng thái và thậm chí còn gây nên lỗi không thể đọc. Vì vậy, các nhà khoa học đã áp dụng kĩ thuật mã hóa điều biến tiên tiến để duy trì tính bất biến. Dựa trên thực tế, trật tự của các phân tử vật liệu đã được lập trình với các mức điện trở khác nhau sẽ không thay đổi theo quá trình biến đổi điện trở.
Với việc sử dụng công nghệ trên, các nhà khoa học IBM đã có thể giảm thiểu biến đổi và chứng minh khả năng duy trì lâu dài các bit dữ liệu đã lưu trên 200.000 phân tử của chip PCM được chế tạo theo công nghệ CMOS 90 nm. Chip PCM thử nghiệm được thiết kế và lắp ráp bởi các nhà khoa học và kỹ sư đến từ Burlington, Vermont; Yorktown Heights, New York và Zurich. Quy trình kiểm tra khả năng duy trì dữ liệu hiện đã trải qua hơn 5 tháng và đã cho thấy tính thực tiễn của bộ nhớ PCM đối với các ứng dụng thực tế.
Dự án PCM tại IBM Research - Zurich sẽ tiếp tục được nghiên cứu và mở rộng tại trung tâm Binnig & Rohrer Nanotechnology. Trung tâm này do IBM và ETH Zurich điều hành và cũng là một phần trong chiến lược hợp tác phát triển khoa học nano. Trung tâm được xây dựng với cơ sở hạ tầng hiện đại, bao gồm một phòng vô trùng dành cho công tác lắp ráp micro/nano chip và 6 phòng thí nghiệm cách âm tuyệt đối dành cho các thử nghiệm mật độ cao.
Theo: Engadget
