IBM đột phá thành công chip nhớ đảo pha đa cấp

Đội ngũ IBM Research đã chứng minh được rằng công nghệ bộ nhớ khá mới mang tên phase-change memory (PCM), hay còn gọi là bộ nhớ đảo pha, đáng tin cậy trong việc lưu trữ nhiều bit dữ liệu trên mỗi cell trong 1 khoảng thời gian dài. Điều này tăng đáng kể khả năng phát triển các ứng dụng bộ nhớ dành cho các thiết bị tiêu dùng, điện thoại và lưu trữ đám mây với giá thành rẻ hơn, tốc độ nhanh và bền hơn; ngoài ra nó cũng có thể dành cho các ứng dụng cần hiệu suất cao như lưu trữ dữ liệu trong doanh nghiệp.

Với sự kết hợp giữa tốc độ, độ bền, sự ổn định và mật độ, PCM có thể tạo ra 1 sự chuyển đổi trong hệ thống lưu trữ doanh nghiệp và công nghệ thông tin trong vòng 5 năm tới. Các nhà khoa học đã tốn khá nhiều thời gian để tìm kiếm 1 công nghệ bộ nhớ tiến bộ hơn cả flash về hiệu năng, sự phổ biến và ổn định; hôm nay ít nhiều cũng có thể tự hài lòng nhờ PCM. Lợi ích  của công nghệ bộ nhớ đảo pha này là cho phép máy tính hoặc server có khả năng boot gần như ngay lập tức, đồng thời cũng tăng cường hiệu năng tổng thể toàn hệ thống.

Những lợi ích đáng kể của PCM như có thể ghi và đọc dữ liệu với tốc độ nhanh gấp 100 lần flash hiện tại, có dung lượng lưu trữ lớn và không bị mất dữ liệu khi ngắt nguồn cung cấp năng lượng. Không giống như flash, PCM cũng rất bền bỉ và có thể chịu đựng đến 10 triệu lần ghi xóa (write cycle), so sánh với 30,000 write cycle của flash cao cấp và chỉ 3,000 write cycle đối với flash bình dân. Nếu sử dụng bình thường trong các thiết bị tiêu dùng, 3,000 write cycle là quá đủ, thế nhưng đối với các ứng dụng trong doanh nghiệp, 30,000 write cycle vẫn là con số nhỏ.

Đột phá trong bộ nhớ đảo pha đa cấp (multi-level PCM)

Để đạt được đột phá này, các nhà khoa học của IBM tại Zurich sử dụng các kỹ thuật điều biến mã hóa tiên tiến (advanced modulation coding technique) để giảm thiểu các vấn đề về thay đổi ngắn hạn (short-term drift) trong multi-bit PCM, thứ có thể gây ra các mức độ điện trở lưu trữ thay đổi theo thời gian, tạo nên các lỗi khi đọc. Trước đây, sự lưu trữ dữ liệu đáng tin cậy chỉ mới được biết có mặt trên single bit-per-cell PCM, chưa từng xuất hiện trên multi-bit PCM cho đến hiện tại.

PCM thúc đẩy sự thay đổi điện trở xảy ra trong vật liệu – một hỗn hợp gồm nhiều nguyên tố khác nhau – khi nó thay đổi pha từ dạng tinh thể (crystalline) có điện trở thấp sang dạng vô định hình (amorphous) có điện trở cao để lưu trữ các bit dữ liệu. Trong cell PCM, nơi mà vật liệu đảo pha được đặt ở giữa điện cực trên và dưới, việc tạo ra đảo pha có thể được điều khiển bằng cách sử dụng xung  điện áp hoặc cường độ dòng điện có độ mạnh khác nhau. Việc này sẽ làm cho vật liệu nóng lên và khi đạt tới các ngưỡng nhiệt khác nhau sẽ làm cho vật liệu chuyển từ dạng tinh thể sang dạng vô định hình hoặc ngược lại.

Thêm vào đó, tùy theo điện áp mà nhiều hay ít vật liệu nằm giữa các điện cực này sẽ trải qua quá trình đảo pha, trực tiếp ảnh hưởng đến điện trở của cell. Các nhà khoa học đã tận dụng theo hướng này để không chỉ lưu trữ 1 bit mà là nhiều bit trên mỗi cell. Hiện tại, các nhà khoa học của IBM sử dụng 4 mức điện trở khác nhau để lưu trữ các tổ hợp bit gồm “00”, ”01”, ”10” và “11”.

Để đạt được mức độ đáng tin cậy cần thiết, các tiến bộ kỹ thuật quan trọng trong quá trình đọc ghi đã được sử dụng. Các nhà khoa học đã thực hiện quá trình ghi lặp đi lặp lại để khắc phục những sai lệch về điện trở do sự biến thiên vốn có trong các cell nhớ và vật liệu đảo pha. Dr. Haris Pozidis, quản lý Memory and Probe Technologies tại IBM Reseach – Zurich, giải thích: “Chúng tôi áp 1 xung điện dựa trên độ chênh lệch từ mức độ mong muốn và sau đó tiến hành đo điện trở. Nếu mức độ điện trở mong muốn không đạt được, chúng tôi lại áp 1 xung điện khác và tiếp tục đo lại, cho đến khi đạt được chính xác mức cần thiết.” Dù sử dụng tiến trình lặp đi lặp lại này, các nhà khoa học vẫn đạt được độ trễ khi thực hiện ghi – trong trường hợp xấu nhất – là khoảng 10 micro giây. Với độ trễ ghi chỉ 10 micro giây, hiệu năng của PCM là nhanh hơn đến 100 lần, thậm chí so với các bộ nhớ flash tiên tiến nhất trên thị trường hiện nay.

Để đạt được mức độ đáng tin cậy khi đọc các bit dữ liệu, các nhà khoa học cần phải giải quyết vấn đề về độ chênh lệch điện trở. Do sự giãn ra về cấu trúc của các nguyên tử trong trạng thái vô định hình, điện trở không ngừng tăng lên theo thời gian sau khi đảo pha, thậm chí gây ra các lỗi khi đọc dữ liệu. Để khắc phục vấn đề này, các nhà khoa học của IBM đã sử dụng kỹ thuật điều biến mã hóa tiên tiến vốn có khả năng chịu được độ chênh lệch. Kỹ thuật điều biến mã hóa dựa trên thực tế rằng, trung bình trật tự tương đối của các cell đã có dữ liệu với các mức điện trở khác nhau không bị thay đổi do chênh lệch.

Ứng dụng kỹ thuật trên, các nhà khoa học của IBM đã có thể giảm thiểu độ chênh lệch và chứng minh được khả năng lưu trữ lâu dài của các bit trong 1 mảng phụ 200,000 cell trong con chip PCM thử nghiệm, được sản xuất nhờ công nghệ CMOS 90nm. Chip PCM thử nghiệm được thiết kế và sản xuất bởi các nhà khoa học và kỹ sư ở Burlington, Vermont, Yorktown Heights, New York và Zurich. Khả năng lưu trữ này đã được thử nghiệm trong hơn 5 tháng, chỉ ra rằng các chip PCM multi-bit đạt được mức độ tin cậy cần thiết, phù hợp cho các ứng dụng thực tiễn.

Trên đây là đột phá thành công của IBM với bộ nhớ đảo pha, dĩ nhiên sẽ vẫn có bạn đọc chưa thể hiểu được  những thứ còn khá rắc rối và mơ hồ như PCM – dù đã xuất hiện từ cách đây khá lâu nhưng chưa phổ biến. Hẹn gặp bạn đọc lại vào 1 lần khác với các chi tiết rõ ràng hơn về PCM cùng ứng dụng mới của nó: tạo nên các ổ cứng tốc độ cao trong tương lai.