Tích hợp các tế bào bộ nhớ và bộ xử lý, giải pháp cho siêu máy tính tương lai

Ngày đăng : 16:45, 11/01/2022

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Lund Thụy Điển đề xuất một giải pháp mới tích hợp tế bào bộ nhớ với một bộ xử lý, cho phép tính toán được thực hiện trong chính mạch bộ nhớ với tốc độ rất cao.

Trong một báo cáo khoa học trên Tạp chí Nature Electronics, các nhà nghiên cứu trình bày một cấu hình mới, trong đó một tế bào bộ nhớ tích hợp với bộ chọn bán dẫn dọc với kích thước nano. Sáng tạo này mang lại khả năng mở rộng, tăng tốc độ và hiệu quả sử dụng năng lượng so với những giải pháp thiết bị lưu trữ dung lượng lớn hiện nay.

Vấn đề cơ bản là bất cứ công nghệ nào yêu cầu xử lý khối lượng lớn dữ liệu như AI và Máy học, đều đòi hỏi tốc độ và dung lượng lớn hơn. Để có được kết quả, bộ nhớ và bộ xử lý cần phải càng gần nhau càng tốt. Đồng thời phần cứng phải có khả năng chạy những tính toán mà vẫn tiết kiệm năng lượng, do công nghệ hiện nay khiến thiết bị có nhiệt độ và tải trọng làm việc cao.

Tốc độ tính toán của bộ vi xử lý diễn ra nhanh hơn nhiều so với tốc độ của bộ nhớ. Thách thức này được gọi là "nút thắt cổ chai von Neumann". Sự tắc nghẽn xảy ra do bộ nhớ và đơn vị tính toán tách riêng, phải mất thời gian để chuyển đổi thông tin qua lại thông qua bus dữ liệu, hạn chế tốc độ tính toán.

Theo Saketh Ram Mamidala, nghiên cứu sinh TS điện tử nano tại Đại học Lund, tác giả công trình nghiên cứu, những bộ vi xử lý phát triển rất nhanh, dung lượng lưu trữ trong bộ nhớ cũng tăng cao trong những năm qua, nhưng không có nhiều tiến bộ  về chức năng hoạt động.

Hạn chế trong thiết kế chế tạo các bảng mạch là các tế bào điện tử được đặt cạnh nhau trên một mặt phẳng. Ý tưởng của nhóm nghiên cứu là xây dựng theo chiều thẳng đứng trong cấu hình 3D, tích hợp bộ nhớ và bộ xử lý, các phép tính diễn ra trong chính mạch bộ nhớ.

Cấu trúc đề xuất của nhóm nghiên cứu là một thanh nano với tế bào bán dẫn dưới cùng, một phần tử bộ nhớ siêu nhỏ nằm xa hơn trên cùng thanh. Cấu trúc này trở thành một chức năng tích hợp nhỏ gọn trong đó tế bào bán dẫn điều khiển phần tử bộ nhớ.

Ý tưởng này có từ trước, nhưng được cho rằng khó đạt hiệu suất cần thiết. Nhưng thử nghiệm phòng thí nghiệm của nhóm nghiên cứu đã chứng minh được, cấu trúc 3D đạt được hiệu quả cần thiết và hoạt động rất tốt, GS điện tử nano Lars-Erik Wernersson của Lund nhận xét.

Nhóm nhà khoa học đã nghiên cứu phát triển tế bào bộ nhớ RRAM (bộ nhớ điện trở truy cập ngẫu nhiên) ứng dụng cấu trúc 3D chức năng tích hợp làm phát sinh những khả năng hoàn toàn mới.

Kết quả này mở ra những lĩnh vực nghiên cứu tiềm năng, hoàn thiện và tăng cường các chức năng mới, từ AI, Máy học đến các máy tính gia đình thông thường. Những ứng dụng trong tương lai có thể là nhiều dạng Máy học khác nhau như điều khiển trang thiết bị bằng cử chỉ trên cơ sở radar, mô hình hóa khí hậu hoặc phát triển các loại thuốc khác nhau. Bộ nhớ thậm chí còn hoạt động mà không cần cấp nguồn.

Tại Lund, nhóm nghiên cứu đã thành công xây dựng các thanh nano với sự tích hợp vật liệu độc đáo, được gọi là nền tảng công nghệ III-V với sự hỗ trợ kiến thức và kinh nghiệm từ Phòng thí nghiệm MAX IV. Giải pháp này có thể được ứng dụng với silicon, loại vật liệu phổ biến nhất, cho phép ngành công nghiệp phần cứng điện tử một hướng phát triển mới cho các siêu máy tính.

Thái Bằng