Các nhà nghiên cứu tại Đại học Michigan, hợp tác với Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia, gần đây đã công bố việc phát triển một kiến trúc bộ nhớ lưu trữ không biến động mới có tên là ECRAM (Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên điện hóa) có khả năng hoạt động ở nhiệt độ trên 600°C. Sự đổi mới công nghệ này, dựa trên một quá trình điện hóa tương tự như pin, mở đường cho những ứng dụng mới trong nhiều lĩnh vực khác nhau như thám hiểm không gian, ngành năng lượng và hàng không, và nói chung là tạo ra các hệ thống có khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, đặc biệt là ở nhiệt độ cao.
Không giống như các bộ nhớ máy tính truyền thống dựa trên chuyển động của các electron, công nghệ mới này khai thác chuyển động của các nguyên tử oxy tích điện âm, hay nói cách khác là các anion O2-. Lựa chọn thiết kế này xuất phát từ tính nhạy cảm của electron với sự thay đổi nhiệt độ: khi nhiệt độ tăng, dòng electron sẽ không thể kiểm soát được, có thể dẫn đến mất dữ liệu. Mặt khác, các nguyên tử oxy ít nhạy cảm hơn nhiều với nhiệt, khiến chúng phù hợp hơn với môi trường có nhiệt độ cao.
© Yiyang Li, Đại học Michigan Bộ nhớ mới sử dụng hai lớp tantali, một lớp ở dạng oxit bán dẫn (TaOX) và lớp còn lại ở dạng kim loại, được ngăn cách bởi chất điện phân rắn. Sự chuyển động của các nguyên tử oxy giữa hai lớp này, được kiểm soát bởi ba điện cực bạch kim, giúp có thể thay đổi nồng độ oxy của oxit tantal; Quá trình điện hóa này tương tự như hoạt động của pin, trong đó các điện cực điều chỉnh quá trình sạc và xả bằng cách kiểm soát dòng ion.
Nồng độ oxy của oxit tantal đóng vai trò quan trọng trong việc lưu trữ thông tin: khi nồng độ này cao, oxit tantal hoạt động như một chất cách điện. Ngược lại, nồng độ thấp sẽ biến nó thành chất dẫn điện. Khả năng chuyển đổi giữa hai trạng thái điện riêng biệt này giúp có thể biểu diễn số 0 và số 1 trong ngôn ngữ nhị phân. Sự chuyển giao các nguyên tử oxy giữa các lớp tantalum, được điều phối bởi các điện cực bạch kim, cho phép ghi và ghi lại thông tin. Kiến trúc cải tiến này cung cấp khả năng lưu trữ thông tin theo cách không dễ bay hơi ở nhiệt độ khắc nghiệt, mở đường cho các ứng dụng mới trong môi trường khắc nghiệt.
© Yiyang Li, Đại học Michigan Bộ nhớ mới này cho thấy hiệu suất đáng chú ý về khả năng lưu trữ dữ liệu. Các nhà nghiên cứu cho biết thông tin có thể được lưu trữ ở nhiệt độ trên 600°C trong hơn 24 giờ, thời gian lưu trữ này tương đương với các công nghệ bộ nhớ không mất dữ liệu ở nhiệt độ cao khác. Giải pháp này cũng chứng tỏ hiệu quả năng lượng hơn một số giải pháp thay thế khác như bộ nhớ sắt điện hoặc khe nano với điện cực bạch kim đa tinh thể. Mặt khác, một trong những điểm yếu của công nghệ này nằm ở nhiệt độ hoạt động tối thiểu, khoảng 250°C. Để khắc phục nhược điểm này, các nhà nghiên cứu đang xem xét tích hợp một thiết bị sưởi ấm cho phép đạt được nhiệt độ hoạt động trước khi đưa bộ nhớ vào sử dụng.
Một trong những thách thức lớn trong tương lai là tăng dung lượng lưu trữ của bộ nhớ mới này: hiện tại, nguyên mẫu chỉ có thể lưu trữ một bit thông tin duy nhất. Các nhà nghiên cứu ước tính rằng với những nỗ lực phát triển bổ sung, chúng ta có thể đạt được dung lượng lưu trữ ở mức megabyte hoặc gigabyte. Con đường phía trước còn dài, nhưng nếu thành tựu công nghệ này thành hiện thực, nó có thể cách mạng hóa ngành điện toán trong các môi trường khắc nghiệt bằng cách cho phép triển khai các hệ thống điện tử hiệu suất cao và đáng tin cậy trong những điều kiện trước đây không thể tiếp cận được.
Nguồn: Li et al., Device 3 (2025)
ECRAM: kiến trúc lấy cảm hứng từ pin
Không giống như các bộ nhớ máy tính truyền thống dựa trên chuyển động của các electron, công nghệ mới này khai thác chuyển động của các nguyên tử oxy tích điện âm, hay nói cách khác là các anion O2-. Lựa chọn thiết kế này xuất phát từ tính nhạy cảm của electron với sự thay đổi nhiệt độ: khi nhiệt độ tăng, dòng electron sẽ không thể kiểm soát được, có thể dẫn đến mất dữ liệu. Mặt khác, các nguyên tử oxy ít nhạy cảm hơn nhiều với nhiệt, khiến chúng phù hợp hơn với môi trường có nhiệt độ cao.
Nồng độ oxy của oxit tantal đóng vai trò quan trọng trong việc lưu trữ thông tin: khi nồng độ này cao, oxit tantal hoạt động như một chất cách điện. Ngược lại, nồng độ thấp sẽ biến nó thành chất dẫn điện. Khả năng chuyển đổi giữa hai trạng thái điện riêng biệt này giúp có thể biểu diễn số 0 và số 1 trong ngôn ngữ nhị phân. Sự chuyển giao các nguyên tử oxy giữa các lớp tantalum, được điều phối bởi các điện cực bạch kim, cho phép ghi và ghi lại thông tin. Kiến trúc cải tiến này cung cấp khả năng lưu trữ thông tin theo cách không dễ bay hơi ở nhiệt độ khắc nghiệt, mở đường cho các ứng dụng mới trong môi trường khắc nghiệt.
Một trong những thách thức lớn trong tương lai là tăng dung lượng lưu trữ của bộ nhớ mới này: hiện tại, nguyên mẫu chỉ có thể lưu trữ một bit thông tin duy nhất. Các nhà nghiên cứu ước tính rằng với những nỗ lực phát triển bổ sung, chúng ta có thể đạt được dung lượng lưu trữ ở mức megabyte hoặc gigabyte. Con đường phía trước còn dài, nhưng nếu thành tựu công nghệ này thành hiện thực, nó có thể cách mạng hóa ngành điện toán trong các môi trường khắc nghiệt bằng cách cho phép triển khai các hệ thống điện tử hiệu suất cao và đáng tin cậy trong những điều kiện trước đây không thể tiếp cận được.
Nguồn: Li et al., Device 3 (2025)
