“Siêu bộ nhớ” này được phát minh bởi nhà vậy lý Richard Feynman cách đây 50 năm. Các con chip flash đầu tiên ra đời có khả năng lưu trữ 64 gigabit thông tin. Điều đáng nói ở đây là tốc độ xử lý thông tin lên đến phần nghìn giây. Dưới đây là 5 phương thức cách mạng hoá bộ nhớ máy tính.
MRAM
MRAM là viết tắt của cụm từ Magnetoresistive random access memory có nghĩa là Bộ nhớ từ tính truy cập ngẫu nhiên. Từ sự phát triển của một số công ty vào những năm 1960, các con chíp MRAM lưu trữ thông tin chỉ với 2 tầng từ tính mỏng, mỗi tầng lại được chia thành từng lưới có nhiều ô bên trong. Một tầng là nam châm vĩnh cửu, tầng còn lại chỉ là môi trường từ tính tạm thời và chúng được xác định là vĩnh cửu hay tạm thời tuỳ thuộc vào là bit 0 hay 1.
Việc MRAM sử dụng từ tính có cả ưu điểm lẫn nhược điểm .Ưu điểm thể hịên ở chỗ, từ tính thì nhanh và dễ điều khiển, cho phép đọc và ghi dữ liệu chỉ trong một phần nghìn giây. Nhược điểm là khi ta thay đổi tính chất từ tính của một ô thì cũng làm thay đổi từ tính của các ô khác. Theo James Scott, một nhà vật lý của Trường đại học Cambridge thì hịên tại vấn đề này chưa được khắc phục. Tại thời điểm hiện tại thì dung lượng tối đa của một con chíp MRAM là 32 megabytes, nhỏ hơn 1000 lần so với một thiết bị flash tốt. Tuy nhiên hai công ty điện tử Toshiba và Hitachi vẫn tiếp tục nghiên cứu và duy trì MRAM vì tính ưu việt nhanh và dễ điều khiển của nó.
FeRAM
FeRAM là viết tắt của Ferroelectric random access memory nghĩa là bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên, nó rất giống với flash, sử dụng các hạt điện để điều khiển chất bán dẫn. Nhưng ngoài khả năng điều khiển dòng chảy của các hạt điện, FeRAM còn có một ưu điểm trong việc phân bố hạt điện trong tinh thể sắt phức tạp.
Trong tinh thể sắt, một môi trường điện nhỏ bên ngoài có thể trực tiếp hoặc gián tiếp làm thay đổi vị trí các ion, dẫn đến tạo ra các cực điện từ không giống với môi trường từ tính được tạo ra bởi cực bắc và cực nam của một nam châm. Một dòng điện nhỏ cũng có thể gây ra sự phân cực, quá trình này diễn ra rất nhanh (trong một phân nghìn giây).
Giống như MRAM, FeRAM cũng có một nhược điểm là phải nạp điện. Để đảo chiều với tốc độ phù hợp thì cần phải lưu một dòng điện bên trong nó, do đó tất cả các ô bộ nhớ trong FeRAM đều như các tụ điện và chiếm một khoảng không gian đáng kể.
Mặc dù có nhược điểm đó nhưng FeRAM vẫn được sử dụng do FeRAM cần nguồn điện thấp và cấu tạo không quá phức tạp, có tính kinh tế cao. Hãng Toshiba thông báo chắc chắn sẽ đưa ra một mẫu chíp FeRAM 128 MB trong tháng 2 năm 2009.
 |
| Hình ảnh bộ nhớ máy tính |
PCRAM
PCRAM có nghĩa là bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên phân đoạn (viết tắt của Phase-change random access memory). Phương pháp này sử dụng cùng một kỹ thuật giống như trong các đầu ghi CD và DVD. Chúng lưu trữ thông tin trong các vật chất nguyên tử với hai giai đoạn riêng biệt: giai đoạn vô định hình tương tự như trong cửa sổ thuỷ tinh, nơi mà các nguyên tử không được sắp xếp theo trật tự nhất định, giai đoạn còn lại là giai đoạn kết tinh, các phân tử lại được sắp xếp theo trật tự, giai đoạn kết tinh này giống như trong phân tử sắt. Trạng thái kết tinh là trạng thái dẫn điện, và trạng thái vô định hình là trạng thái cách điện.
Trong PCRAM, các phân tử được chứa đựng trong hai điện cực. Tất cả đều cần cho quá trình đảo ngược giữa chúng với một xung của ánh sáng laze hoặc dòng điện hiện tại tới điện cực để làm tan chảy các phân tử. Nếu xung hiện tại mà dài, các phân tử sẽ tự sắp xếp theo trật tự trong trạng thái kết tinh. Nếu xung ngắn thì các phân tử sẽ nguội đi và trở thành trạng thái vô định hình.
Tuy nhiên, việc nóng lên hàng trăm độ của các phân tử bộ nhớ cần rất nhiều năng lượng - mặc dù năng lượng yêu cầu đó càng ngày càng giảm khi thiết bị co lại. Với PCRAM thì có rất nhiều ngăn ở dưới đáy. Chỉ có một vài nguyên tử cần thiết cho việc tạo ra đơn vị bộ nhớ của trạng thái vô định hình và trạng thái kết tủa.
Thời gian chuyển đổi của PCRAM có thể rất nhanh, có thể đạt được tốc độ của một phần nghìn giây. Vấn đề là khi tốc độ chuyển đổi của các phân tử càng nhanh thì trạng thái kết tinh càng giảm đi, do đó tốc độ của PCRAM vẫn chậm hơn mức tối đa từ 10 đến 100 lần. Rất nhiều công ty đang nghiên cứu về PCRAM. SAMSUNG đã mua 512 MB bộ nhớ chíp PCRAM
RRAM
Không chỉ có PCRAM có khả năng làm việc trong phạm vi bé nhất. Một công nghệ đối thủ khác chống lại việc truy cập dữ liệu ngẫu nhiên có tên là RRAM. Trong khi PCRAM dựa vào sự thay đổi nhiệt độ của cấu trúc vật chất nguyên tử thì RRAM điện hóa chống lại sự thay đổi cấu trúc liên kết của việc kết tinh chất rắn.
RRAM ở dạng thô là oxít cách điện tự nhiên, giống như titan hay oxy. Khi có một dòng điện lớn tác động vào tinh thể, thì liên kết điện tử của các nguyên tử Oxy sẽ bị phá vỡ. Khi oxy bốc hơi, nó thoát ra ở các lỗ phía sau của tinh thể và sự giải phóng đó gây ra hiện tượng dẫn điện.
Các lỗ có xu hương xếp theo hàng, tạo ra một rãnh hẹp các phân tử dẫn điện ở bên trong tinh thể. Đảo ngược chiều của dòng điện và các nguyên tử Oxy quay ngược lại rãnh, chia cắt các nguyên tử dẫn điện làm cho tinh thể trở thành cách điện.
Việc thay đổi trạng thái tạo ra một bộ nhớ mà chỉ có dòng điện cao của các cực mới có thể chuyển đổi. Một trong những dòng điện này được ứng dụng, chỉ có một số các hạt oxy rảnh rỗi ở bên ngoài rãnh là dùng cho việc chuyển đổi trạng thái dẫn điện hay không dẫn điện, việc này làm cho RRAM trở thành công nghệ rất nhanh và tốn ít năng lượng.
Chúng ta có thể chuyển đổi các thiết bị trong một phần nghìn giây, và năng lượng cần thiết dùng cho quá trình chuyển đổi sẽ tăng lên. Nếu một bit điện trở cao được thiết lập cạnh một điện trở thấp thì các điện tử có khuynh hướng vượt qua phạm vi của điện trở cao và gây ra những phiền phức không mong muốn đối với các phần tử bên cạnh. Đây là một vấn đề mà Hewlett-Packard và nhiều công ty khác đang cố gắng giải quyết.
RRAM không chỉ có khả năng tiềm tàng trong lĩnh vực bộ nhớ. Người ta nhận thấy các thiết bị RRAM có các đặc điểm của một memristor- một phần tử điện thụ động thứ 4 ngoài 3 phần tử đã được biết đến là điện trở, tụ điện và cảm điện.
Bộ nhớ Racetrack
Tất cả các cách thức để tạo ra các siêu bộ nhớ bao gồm cả cách thức mới áp dụng cho nguyên tử và vật chất. Cấu trúc 3 thứ nguyên có thể giúp chúng ta mở rộng bộ nhớ các thiết bị. Stuart Parkin và các đồng nghiệp của anh ở IBM đã vừa có một đề xuất, đó là: racetrack memory.
Với racetrack memory, các bit bộ nhớ được lưu trữ như các vùng nhỏ của vùng kháng từ, hay còn gọi là ổ đĩa cứng. Sự khác biệt ở đây chính là các đơn vị bộ nhớ không được tạo thành khối nhưng chúng kết lại thành chuỗi giống như là các đường viền dọc theo các đơn vị từ tính. Dòng điện hiện tại chuyển hướng các vùng dọc theo khung và vượt qua các đầu đọc và ghi riêng biệt, nơi mà thông tin được lưu trữ trên các vùng của các bit thông tin có thể khôi phục hoặc thay đổi. Điều đó có thể thực hiện dưới tốc độ 200 m/s.
Lợi ích tiềm năng lớn nhất của racetrack là dung lượng lưu trữ. Thậm chí chỉ với một phần triệu kích thước của khung cũng có thể lưu trữ một khối lượng lớn thông tin so với flash.
Flash: siêu bộ nhớ
Những ổ đĩa cứng của máy tính đọc thông tin từ các đĩa từ tính tròn thì rất cần năng lượng, do đó có thể xảy ra những rủi ro không mong muốn. Bộ nhớ flash cần rất ít năng lượng và có thể mở rộng bộ nhớ máy tính trong thời gian dài đã được phát triển bởi các nhà nghiên cứu của hãng Toshiba tại Nhật từ năm 1980. Chính điều đó giải thích tại sao flash nhanh chóng chiếm lĩnh thị trường mặc dù giá thành sản phẩm cao.
Các bit bộ nhớ của flash làm việc giống như các bóng bán dẫn đang được sử dụng trong các con chip xử lý của máy tính. Trong một bóng bán dẫn, một rãnh nhỏ các hạt điện bị cắt bởi một cổng kim loại. Một dòng điện tác động vào cổng tạo ra các môi trường nơi mà các hạt điện có thể bay xuyên qua các rãnh bán dẫn tạo ra trạng thái tắt, mở hay các bít 1 hoặc 0. Trong flash, một điều khác biệt duy nhất đó là các hạt điện được phóng tại cổng bởi các tầng oxít xung quanh tạo ra trạng thái tắt hay mở.
Trạng thái của bộ nhớ chỉ có thể được thay đổi bằng một dòng điện lớn cho phép các hạt điện giải phóng qua tầng oxít. Điều đó làm cho các thiết bị flash chậm hơn so với các ổ đĩa cứng. Bộ nhớ flash có thể được ghi lại khoảng 10.000 đến 100.000 lần trước khi bị hỏng.
Con chíp flash tốt nhất hiện nay có khả năng lưu trữ có thể so sánh được với các thiết bị từ tính. Đối với flash, sự ảnh hưởng của chất lượng tử như là các hạt điện sẽ tạo ra bộ nhớ chắp vá, không đều nếu kích thước của các bit lưu trữ nhỏ hơn 20 phần nghìn mét.
Hưng Chi (Theo New Scientist)
