Bộ nhớ ống nano carbon siêu nhanh

(PCWorldVN) Bộ nhớ không xóa mới có tên là Nano-RAM dựa trên nền tảng ống nano carbon có số chu kỳ ghi gần như vô hạn và nhanh hơn bộ nhớ flash hàng ngàn lần.

• Apple mua nhà phát triển bộ nhớ flash tốc độ cao
• Intel, Micron tăng gấp đôi mật độ bộ nhớ flash NAND
• Intel và Micron giảm kích thước bộ nhớ flash NAND
• Bộ nhớ băng thông rộng của AMD thách thức Nvidia
• DDR2 đã “kế vị” DRAM

Một loại bộ nhớ không xóa (non-volatile memory) mới có tên là Nano-RAM (NRAM) dựa trên nền tảng ống nano carbon (carbon nanotube) và có tốc độ của DRAM hiện đang được đưa vào sản xuất tại bảy nhà máy ở những khu vực khác nhau trên thế giới.

Theo Nantero, công ty sáng chế NRAM, họ có hàng chục khách hàng doanh nghiệp đang xếp hàng để chờ thử nghiệm loại bộ nhớ mới ngay khi nó ra khỏi dây chuyền sản xuất.

Giám đốc điều hành (CEO) của Nantero cho biết là những nhà máy này đã và đang sản xuất rất nhiều đế bán dẫn (wafer) và chip. Đó là chip mẫu và chip thử nghiệm chuẩn bị cho việc sản xuất đại trà. Theo Nantero thì cần vài năm nữa trước khi NRAM xuất xưởng.

Các nhà phân tích công nghiệp nhận định đây là một trong số rất ít công nghệ đi từ phòng thí nghiệm đến những cơ sở sản xuất CMOS lớn. Sự kết hợp độc đáo của NRAM giữa tốc độ cao và sức bền lớn mang lại tiềm năng cho những sản phẩm đột phá trong rất nhiều ứng dụng, cho cả người dùng cuối và môi trường doanh nghiệp.

NRAM có tiềm năng tạo ra loại bộ nhớ với mật độ lớn hơn hẳn loại bộ nhớ NAND flash đang được dùng để sản xuất ổ nhớ USB và ổ đĩa rắn hiện nay (SSD). Mật độ cao nhất của quy trình chế tạo NAND flash hiện nay là gần 15 nanometer. NRAM có thể đạt đến mật độ dưới 5 nanometer, theo Nantero.

Theo nhà phân tích thì NRAM đang nổi lên trong rất nhiều lĩnh vực của công nghệ bộ nhớ mới và sẽ thách thức NAND flash về tốc độ, sức bền và dung lượng.

Ví dụ, bộ nhớ sắt điện Ferroelectric RAM (FRAM) đã được xuất xưởng số lượng lớn; IBM đã phát triển bộ nhớ Racetrack Memory; Intel, IBM và Numonyx đều đã sản xuất bộ nhớ đổi pha (Phase-Change Memory - PCM), bộ nhớ từ điện trở (Magnetoresistive Random-Access Memory - MRAM) đã được phát triển từ những năm 1990; Hewlett-Packard và Hynix đang phát triển bộ nhớ điện trở ReRAM hay còn gọi là Memristor; còn Infineon Technologies đang phát triển bộ nhớ Conductive - Bridging RAM - CBRAM.

Hiện thời rất khó đoán "chú ngựa" nào sẽ thắng cuộc đua để thay thế NAND flash và DRAM vào khoảng những năm 2023.

Trong hai năm qua, Nantero đã giảm giá thành NRAM 10 lần, giúp công ty có thể cạnh tranh với công nghệ bán dẫn CMOS vốn được dùng để chế tạo bộ vi xử lý và DRAM.

Một trong những ưu điểm lớn của NRAM so với NAND flash truyền thống là khả năng chịu nhiệt, nó có thể chịu được 300 độ C. Nantero tuyên bố bộ nhớ của họ có thể tồn tại hàng ngàn năm ở 85 độ C và đã được thử nghiệm ở 300 độ C trong 10 năm mà không hề mất một bit dữ liệu nào.

Một ưu điểm khác là NRAM được phát triển với các đặt tả kỹ thuật về giao tiếp của DDR4 nên có thể đạt tốc độ truyền dữ liệu lên tới 3,2 tỉ mỗi giây hay 2.400 Mbps – nhanh hơn gấp đôi NAND flash. Tuy nhiên, về bản chất khả năng đọc/ghi của NRAM nhanh hơn NAND flash hàng ngàn lần. Nantero cho biết điểm thắt cổ chai là các đường truyền (BUS) của máy tính. Các ống nano có tốc độ chuyển trạng thái – tắt sang mở và từ mở sang tắt chỉ tính bằng picosecond (một picosecond bằng một phần nghìn tỷ của giây).

Các ống nano carbon rất chắc. Trong thực tế, chúng chắc hơn thép 50 lần và có kích thước chỉ bằng 1/50.000 sợi tóc người. Với độ bền của ống nano carbon, NRAM có thể chịu được thao tác ghi lớn hơn hẳn NAND flash.

NAND flash tốt nhất với tính năng sữa lỗi có thể chịu được khoảng 100.000 chu kỳ ghi-xóa. Theo Nantero, NRAM có thể chịu được 1012 chu kỳ ghi và 1015 chu kỳ đọc – có thể coi như vô hạn.

Cấu trúc hình học của ống nano carbon.

Cách hoạt động của NRAM

Các ống nano carbon được phát triển từ những phân tử của chất xúc tác, thường là sắt.

NRAM được chế tạo từ ma trận các sợi khớp vào nhau của các ống carbon nanotube ở trạng thái tiếp xúc hay hơi tách rời nhau. Mỗi phần tử hay transistor NRAM được tạo thành bởi mạng lưới ống nano carbon nanotubes nằm ở giữa hai điện cực kim loại. Bộ nhớ này hoạt động giống như những công nghệ resistive non-volatile RAM khác.

Các ống nano carbon khi không tiếp xúc với nhau thì có trở kháng cao và thể hiện trạng thái “tắt” hay "0". Khi carbon nanotube tiếp xúc với nhau, chúng chuyển qua trạng thái kháng trở thấp thể hiện “mở” hay "1".

Trong vài tháng qua, Nantero đã thuê hàng chục kỹ sư thiết kế chip đang làm trong lĩnh vực chế tạo mạch mật độ cao, kể cả những thiết kế 3D hay bộ nhớ dạng chồng để tăng dung lượng. Kích thước của “thanh kẹo cao su” này có dung lượng hàng gigabyte và trong tương lai là hàng terabytes.

Nantero không có kế hoạch sản xuất đĩa NRAM của riêng họ, chúng sẽ được tiếp thị như những ổ đĩa thể rắn (SSD) có dạng những thanh kẹo cao su hay những bo nhớ nội tại. Thay vào đó Nantero sẽ cấp bản quyền sở hữu trí tuệ cho những công ty muốn phát triển sản phẩm riêng. Các kỹ sư của Nantero vẫn đang trong quá trình thiết kế chip cho đế bán dẫn của bộ nhớ.

Vì khả năng chịu nhiệt, rung và áp suất, bộ nhớ carbon nanotube của Nantero thu hút sự chú ý của các đại gia hàng không vũ trụ như Lockheed Martin và hãng khoan, khai thác dầu và khí đốt lớn nhất thế giới Schlumberger, cả hai công ty này đều là khách hàng của Nantero. Nantero từ chối nêu tên những khách hàng khác của họ.

Được thành lập năm 2001, Nantero đến nay đã có 78,1 triệu USD sau 5 vòng gọi vốn, tính cả vòng gọi vốn được 31,5 triệu vừa kết thúc. Công ty cũng cho biết là phó chủ tịch Nhóm bộ nhớ Flash trước đây của Intel là Stefan Lai cũng đã gia nhập công ty trong vai trò cố vấn công nghệ. Stefan Lai là tác giả đồng sáng chế tế bào bộ nhớ EPROM (erasable programmable read only memory) dạng flash và là người lãnh đạo đội phát triển bộ nhớ chuyển pha (PCM).

Stefan Lai cho rằng NRAM của Nantero có những đặc tính độc đáo khiến nó trở thành ứng viên sáng giá nhất cho loại bộ nhớ gần như lý tưởng: không mất dữ liệu như flash, tốc độ và tính năng của DRAM với giá thành thấp.

Nantero cũng tuyên bố là Yaw Wen Hu, nguyên phó chủ tịch điều hành của Inotera Memories, cũng đã gia nhập hãng trong vai trò cố vấn kỹ thuật. Inotera là một đối tác đóng tại Đài Loan của Micron, cung cấp gần 10% đế bán dẫn 300mm DRAM của thế giới với hai nhà máy sản xuất.

Giám đốc điều hành của Webfeet Research nhận định rằng sự sẵn sàng của công nghệ bộ nhớ với tốc độ cực nhanh có thể cung cấp dung lượng nhớ hàng terabits trong tương lai và tiêu thụ điện năng rất thấp sẽ có khả năng thay đổi tương lai của ngành điện tử. Sau 12 năm nghiên cứu NRAM, Nantero đã giảm giá thành 10 lần cho các ống nano carbon, tạo khả năng tương thích của NRAM CMOS và mang lại khả năng sản xuất thương mại cho những hãng được cấp bản quyền.

Minh họa của phần tử NRAM (trái) và ảnh chụp của cấu trúc ống nano carbon bằng kính hiển vi điện tử (phải).

Sơ đồ về cách hoạt động của NRAM bằng cách nối và ngắt các ống nano carbon để tạo nên các giá trị 0 và 1 (trở kháng cao và thấp)

Minh họa hai trạng thái của NRAM, trường hợp ống nano carbon tiếp xúc với nhau thì sẽ tạo trở kháng thấp hay trạng thái "mở"; trường hợp các ống không tiếp xúc thì sẽ tạo trở kháng cao hay trạng thái "tắt".

PC World VN, 07/2015