Đột phá lịch sử: Đại học Fudan phát minh 'Flash lượng tử', lưu trữ 1 bit dữ liệu chỉ bằng 1 electron

Theo tin từ IT ngày 17 tháng 7, Đại học Phúc Đán chính thức công bố, vào rạng sáng nay theo giờ Bắc Kinh (17 tháng 7), nhóm nghiên cứu của Chu Bằng và Lưu Xuân Sâm thuộc Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về Chip và Hệ thống tích hợp, Học viện Đổi mới Vi mạch và Vi điện tử của Đại học Phúc Đán đã công bố thành tựu quan trọng trên tạp chí *Science*.

Công nghệ "Quantum Flash" (Bộ nhớ flash lượng tử) do họ phát minh đã xây dựng thành công cấu trúc "Guiyi" (Quy Nhất) đồng phẳng gồm cực máng - kênh dẫn - cực nguồn, lần đầu tiên quan sát rõ ràng hành vi lưu trữ không bay hơi của một electron đơn lẻ trong điều kiện nhiệt độ phòng (27℃).

Điều này không chỉ phá vỡ hoàn toàn nhận thức truyền thống cho rằng "lưu trữ electron đơn lẻ" là không thể thực hiện, mở ra một hệ thống lý thuyết hoàn toàn mới về lưu trữ lượng tử electron đơn lẻ, mà còn đặt nền tảng lý thuyết then chốt cho cuộc cách mạng sức mạnh tính toán trong kỷ nguyên AI.

Là hạt cơ bản không thể chia cắt, electron về lý thuyết là vật mang cuối cùng để xây dựng đơn vị dữ liệu nhỏ nhất, điều này còn được gọi là "lưu trữ electron đơn lẻ". Tuy nhiên, do liên quan sâu sắc đến hành vi lượng tử của các hạt cơ bản, giới khoa học từng coi đây là một "lâu đài trên không" – khả thi về lý thuyết nhưng không thể quan sát trong thực nghiệm.

Đối mặt với khó khăn này, nhóm nghiên cứu đã xuất phát từ các nguyên lý cơ bản của cơ học lượng tử, xem xét lại ranh giới của việc điều khiển từng electron đơn lẻ, tận dụng lợi thế "giam giữ" tự nhiên của độ dày cấp nguyên tử trong chất bán dẫn 2D, từ đó sáng tạo ra phương án cắt phẳng tự căn chỉnh, xây dựng thành công cấu trúc "Guiyi" đồng phẳng gồm cực máng - kênh dẫn - cực nguồn.

Thực nghiệm cho thấy, chỉ cần tiêm một electron đơn lẻ, cửa sổ lưu trữ có thể đạt tới 0,5 Volt và dữ liệu vẫn duy trì ổn định ở nhiệt độ phòng (27℃). So với bộ nhớ electron đơn lẻ dựa trên silicon được tạp chí *Science* báo cáo năm 1997 với mức 55 mV và chỉ duy trì được 5 giây, công trình này đã khuếch đại tín hiệu trạng thái lượng tử electron đơn lẻ ở nhiệt độ phòng lên gần một bậc độ lớn và đạt được tính không bay hơi thực sự.

Nghiên cứu này đã nâng mật độ thông tin lưu trữ điện tích lên giới hạn lý thuyết, hiện thực hóa "một electron một bit", đồng thời cung cấp nền tảng kỹ thuật mới cho việc phát triển bộ nhớ mật độ cao đáp ứng nhu cầu của Trí tuệ nhân tạo tổng quát (AGI).

Thiết bị này đã hiện thực hóa "một electron tương ứng với một bit", đạt đến giới hạn lý thuyết lượng tử. Bước tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ tập trung thúc đẩy quá trình kỹ thuật hóa và tích hợp chip quy mô lớn cho thiết bị này, đưa nghiên cứu cơ bản tiến tới ứng dụng công nghiệp.

Đại học Phúc Đán cho biết, bước đột phá này đồng nghĩa với việc trong tương lai, điện thoại di động, máy tính và máy chủ có thể được trang bị các chip nhớ siêu tốc, dung lượng siêu lớn, không mất dữ liệu khi mất điện, hỗ trợ chạy các mô hình AI có tham số lớn hơn ngay trên thiết bị với mức tiêu thụ điện năng thấp hơn. Khi hiệu suất lưu trữ được cải thiện, điện thoại hoặc trợ lý AI sẽ phản hồi nhanh hơn, ghi nhớ ngữ cảnh dài hơn, không cần giải thích lại các cuộc hội thoại lịch sử, có thể ghi nhớ các tương tác từ rất lâu trước đó giống như một tác nhân thông minh thực thụ. Khi tốc độ lưu trữ bắt kịp tốc độ tính toán, sức mạnh tính toán sẽ không còn bị lưu trữ "kéo chân".

Hiện tại, nhóm nghiên cứu đã hệ thống hóa toàn bộ chuỗi từ vật liệu cơ bản, đổi mới thiết bị đến tích hợp và ứng dụng chip cao cấp: "Poxiao" (Phá Hiểu) đạt đột phá về tốc độ truy xuất, "Guiyi" (Quy Nhất) giải quyết giới hạn mật độ, và "Changying" (Trường Anh) đã hoàn thành xác thực chip nguyên mẫu tương thích với quy trình silicon CMOS hiện có.

Tiếp theo, họ sẽ đẩy nhanh quá trình công nghiệp hóa, dự kiến đưa sản phẩm vào thực tế trong vòng 1 đến 3 năm tới – thành lập công ty để kết nối với các khách hàng hàng đầu trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo, thu hút các đối tác chiến lược, tận dụng nguồn lực xã hội và sự hỗ trợ của chính phủ để chuyển hóa các sáng tạo gốc thành lực lượng sản xuất mới.

Hiện tại, nhóm nghiên cứu đã có nền tảng quy trình trưởng thành trong lĩnh vực tích hợp dị thể lưu trữ 2D với tấm wafer CMOS 8 inch và 12 inch. Nhờ độ phức tạp của quy trình tích hợp dị thể chất bán dẫn 2D thấp hơn nhiều so với các phương án pha tạp, cách ly của tinh thể silicon khối, các chip nhớ trong tương lai hứa hẹn sẽ có chi phí ngang bằng hoặc thậm chí ưu việt hơn so với các sản phẩm chủ đạo hiện nay.

IT đính kèm liên kết bài báo:

https://science.org/doi/10.1126/science.aeg6638

Tuyên bố quảng cáo: Các liên kết ngoài (bao gồm nhưng không giới hạn ở siêu liên kết, mã QR, mật khẩu, v.v.) có trong bài viết được sử dụng để truyền tải thêm thông tin, tiết kiệm thời gian sàng lọc, kết quả chỉ mang tính chất tham khảo. Tất cả các bài viết của IT đều bao gồm tuyên bố này.