Buzz
Công nghệ này dựa trên memristor – linh kiện nano đặc biệt có khả năng vừa lưu trữ dữ liệu, vừa xử lý chúng.
Các thiết bị điện tử hiệu năng cao lâu nay luôn gặp phải một thách thức lớn: nhiệt độ. Hầu hết các chip hiện nay sẽ bị hỏng khi nhiệt độ vượt quá 200°C, khiến việc sử dụng chúng trong các môi trường khắc nghiệt như dưới lòng đất, trong lò phản ứng hạt nhân, hay trên bề mặt sao Kim gần như không thể thực hiện. Tuy nhiên, một nghiên cứu mới từ Đại học Nam California (USC) chỉ ra rằng rào cản này có thể được vượt qua trong tương lai gần.
Nhóm nghiên cứu tại Trường Kỹ thuật Viterbi thuộc USC vừa công bố một thiết bị bộ nhớ điện tử có thể hoạt động bền bỉ ở nhiệt độ cao lên đến 700°C – vượt qua mức nhiệt của dung nham nóng chảy – mà không bị hư hại. Công trình này được đăng trên tạp chí Science và được xem là một bước tiến đột phá trong lĩnh vực điện tử nhiệt độ cao.
Giáo sư Joshua Yang, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết đây là bộ nhớ chịu nhiệt tốt nhất từng được chứng minh trong phòng thí nghiệm, mở ra một hướng đi hoàn toàn mới cho các hệ thống điện tử hoạt động trong môi trường cực đoan.
Memristor với cấu trúc 'kẹp vật liệu' đã tạo ra một bước đột phá đáng chú ý.
Công nghệ này dựa vào memristor – linh kiện nano có khả năng lưu trữ và xử lý dữ liệu. Thiết kế của nhóm nghiên cứu USC áp dụng cấu trúc ba lớp vật liệu: vonfram ở trên cùng, oxit hafni ở giữa, và lớp graphene cực mỏng ở dưới cùng.
Mỗi vật liệu đảm nhiệm một vai trò riêng biệt. Vonfram với điểm nóng chảy cao giúp tăng cường độ bền, oxit hafni mang lại sự ổn định như lớp cách điện gốm, trong khi graphene ngăn chặn hiện tượng đoản mạch khi nhiệt độ tăng cao. Nhờ vào cấu trúc này, thiết bị có thể lưu trữ dữ liệu liên tục hơn 50 giờ ở 700°C, chịu được hơn một tỷ lần chuyển mạch, và hoạt động ở điện áp chỉ 1,5V với tốc độ tính toán nano giây.
Điều đặc biệt là thiết bị vẫn chưa đạt điểm hỏng – chính hệ thống thử nghiệm mới là yếu tố giới hạn của thí nghiệm, cho thấy tiềm năng phát triển trong tương lai còn rất lớn.
Một phát hiện bất ngờ nhưng đã mở ra một hướng đi đầy triển vọng.
Nhóm nghiên cứu cho biết, phát hiện này là kết quả ngoài mong đợi khi họ đang thử nghiệm các thiết kế graphene cho mục đích khác. Phân tích qua kính hiển vi và mô phỏng lượng tử sau đó cho thấy graphene có khả năng ngăn chặn sự khuếch tán nguyên tử kim loại, một trong những nguyên nhân chính khiến các chip hỏng khi gặp nhiệt độ cao.
Phát hiện này giúp ngành bán dẫn giải quyết một vấn đề nan giải mà họ đã gặp phải trong nhiều thập kỷ qua: làm sao để các thiết bị điện tử vẫn có thể hoạt động ổn định trong môi trường cực nóng.
Phát hiện này mở ra cơ hội cho việc phát triển tàu thăm dò sao Kim và các hệ thống AI tiết kiệm năng lượng trong tương lai.
Ứng dụng của công nghệ này có tiềm năng rất lớn. Các cơ quan vũ trụ đã tìm kiếm phần cứng có thể hoạt động trên sao Kim, nơi nhiệt độ bề mặt vượt quá 450°C. Với khả năng chịu nhiệt lên đến 700°C, memristor mới có thể giúp tàu thăm dò xử lý dữ liệu trực tiếp tại chỗ, thay vì phụ thuộc vào hệ thống điều khiển từ xa.
Ngoài không gian, công nghệ này cũng có thể được ứng dụng trong các lĩnh vực như khoan địa nhiệt, lò phản ứng hạt nhân, hay các môi trường công nghiệp có nhiệt độ cực cao. Đặc biệt, memristor có khả năng thực hiện phép nhân ma trận – nền tảng của hầu hết các thuật toán AI – với mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn rất nhiều so với các chip truyền thống.
Theo nhóm nghiên cứu, hơn 90% phép toán trong các hệ thống AI hiện đại là nhân ma trận, vì vậy phần cứng memristor có thể tăng tốc quá trình xử lý và giảm thiểu đáng kể lượng điện năng tiêu thụ.
Dù việc thương mại hóa còn lâu mới trở thành hiện thực, nhưng tiềm năng của công nghệ này là vô cùng lớn.
Giáo sư Joshua Yang và các cộng sự đã thành lập công ty khởi nghiệp TetraMem để thương mại hóa phần cứng AI dựa trên memristor. Tuy nhiên, ông thừa nhận rằng việc đưa công nghệ này vào thực tế vẫn cần thời gian.
Hai vật liệu chủ chốt của thiết bị – vonfram và oxit hafni – đã được sử dụng phổ biến trong ngành bán dẫn, trong khi việc sản xuất graphene quy mô lớn cũng đang được các công ty công nghệ đẩy mạnh. Điều này tạo nền tảng vững chắc để công nghệ này phát triển trong tương lai.
Mặc dù vẫn còn ở giai đoạn nghiên cứu ban đầu, phát hiện này được xem là một bước tiến quan trọng trong việc xây dựng các hệ thống điện tử hoạt động trong những môi trường khắc nghiệt. Theo nhóm nghiên cứu USC, yếu tố quan trọng nhất của bài toán đã được chứng minh: các chip điện tử có thể hoạt động ổn định ở nhiệt độ rất cao, mở ra cơ hội cho những ứng dụng mà trước đây chỉ có thể tồn tại trong lý thuyết.
