Nghiên cứu mới giúp tăng tốc bộ nhớ đảo pha, ngày thay thế bộ nhớ flash không còn xa?

Bộ nhớ đảo pha - phase change memory hay còn gọi là PRAM hay PCM - vẫn là một chủ đề được bàn tán khá nhiều trong ngành khoa học vật liệu. Nó được giới công nghệ, đặc biệt là các hãng bán dẫn quan tâm nghiên cứu vì với các khả năng của mình, khi hoàn thiện PCM có thể thay thế được bộ nhớ flash và thậm chí là DRAM đang được dùng rất phổ biến hiện nay.

DRAM chính là loại bộ nhớ mà chúng ta đang dùng cho hệ thống RAM trên chiếc PC, smartphone của bạn (DDR, DDR2, DDR3, LPDDR2, GDDR3, GDDR5...). Ưu điểm của DRAM là tốc độ (speed) của nó rất nhanh, chỉ thua bộ nhớ SRAM và độ bền (endurance) cực cao, với tần suất ghi xoá vài ngàn thậm chí vài trăm ngàn lẫn mỗi ngày, DRAM vẫn "bền bỉ" chạy theo bạn "cùng năm tháng. Nhưng nhược điểm của loại bộ nhớ này là mật độ (density) của nó không cao và khả năng thay đổi (scaling) dung lượng không cao. Ví như hôm nay bạn chỉ thấy các module DRAM có dung lượng 1 - 4 GB dù DRAM đã được phát minh ra cách đây hơn 30 năm.

Bộ nhớ flash (đừng nhầm với đèn flash của máy ảnh hay flash player của Adobe) là thứ dùng trong các ổ SSD hoặc flash USB (mà dân ta vẫn gọi sai là ổ USB) hoặc các chip nhớ ROM dùng để khởi động PC, smartphone. Ưu điểm của flash là mật độ rất cao và khả năng tăng dung lượng tương đối tốt. Hôm nay bạn có thể tìm mua các ổ SSD với dung lượng cao hơn rất nhiều so với các module DRAM (lấy ví dụ 256, 512 GB) dù flash ra đời sau DRAM đến hơn chục năm.

Một ưu điểm khác của flash là không bị mất dữ liệu (retention) sau khi mất điện (non-volatile), còn DRAM thì mất (volatile) nên flash có thể dùng để cài đặt hệ điều hành (HĐH), DRAM thì không. Song flash chậm hơn rất nhiều lần và độ bền cũng rất thấp. Một tế bào nhớ flash SLC cao cấp nhất hiện có tuổi thọ chỉ khoảng 100.000 lần ghi xoá, với flash MLC còn thấp hơn rất nhiều (thường bằng 1/10 SLC). Bạn có thể ngạc nhiên rằng tốc độ khởi động từ SSD cao hơn HDD rất nhiều, song so với DRAM thì các ổ SSD vẫn "ngửi khói" dài dài.

Không có gì hoàn hảo tuyệt đối, PCM cũng vậy. Nhưng khi đánh giá tổng quan thì PCM vượt hơn DRAM lẫn flash. Tốc độ của PCM cao hơn flash rất nhiều lần và chỉ kém DRAM "chút ít": quá trình thay đổi 1 bit PCM chậm hơn 1 bit DRAM khoảng 1 - 10 ns (1 ns = 1 phần tỷ giây). Nôm na bạn có thể xem DRAM được 10 điểm thì PCM được 8 - 9 điểm. Thế còn flash?

Bạn hãy xem vài kết quả benchmark thực tế và tự kết luận cho chính mình. Hệ thống cùng CPU Core i7 2600K chạy ở chế độ dual-channel có băng thông nhớ (DRAM) tới 21,2 GB/s. Trong khi các ổ SSD dùng giao tiếp SATA 6 Gbps có tốc độ chỉ loanh quanh vài trăm MB/s (lưu ý là MB/s). Trên thang điểm 10 nếu DRAM là 10 thì flash xem chừng chưa được... 1 điểm!

PCM lại có một đặc điểm mà DRAM "mơ" cũng không được - không mất dữ liệu sau khi mất điện. Đặc điểm này cho phép chúng ta cài đặt HĐH lên PRAM và dùng nó như SSD hay HDD thông thường. Hãy tưởng tượng một thiết bị cho phép phép bạn copy dữ liệu vào như HDD nhưng tốc độ gần ngang ngửa DRAM. Nói thế nào nhỉ? Windows 7 sau khi cài đặt xong mất khoảng 7 - 8 GB, thêm các ứng dụng "lỉnh kỉnh" khác tạm cho là hết tổng cộng 30 GB. Với tốc độ đọc ~ 20 GB/s, nạp hết toàn bộ lượng dữ liệu trên chỉ tốn... 1,5 giây (!)

Song mật độ là vấn đề có thể sẽ khiến PCM trở nên rất đắt đỏ so với flash. Ở chừng mực nào đó thì có thể xem PCM tương đương với DRAM nhưng có khả năng "nhớ" dữ liệu ngay cả khi tắt điện, nên giá thành (tính trên từng GB) sẽ khá đắt. Có thể trong tương lai, PCM sẽ thay thế flash để làm bộ nhớ ROM có cài đặt sẵn HĐH dùng trên smartphone vì các thiết bị này không yêu cầu cao về dung lượng lưu trữ (HĐH di động chiếm ít không gian nhớ hơn HĐH PC). Hiện tại Micron đã bắt đầu thương mại hoá PCM nhưng chỉ ở mức dung lượng thấp

"Quảng cáo" nhiều như thế có lẽ đã đủ. Bạn có thể muốn biết: đâu là thứ đã tạo nên PCM? Trước hết, hãy đi từ khái niệm bit 0 & 1 quen thuộc mà chúng ta vẫn nghe hoài khi nhắc đến IT. 0 & 1 là hai viên gạch cơ bản làm nên toàn bộ lượng dữ liệu mà chúng ta có hôm nay, kể cả những gì mà bạn đang đọc. 8 bit thì làm thành 1 byte rồi từ đấy cứ thế nhân lên. Và câu hỏi đầu tiên khi tạo ra vật liệu mới cho IT là: thế nào là 0 và thế nào là 1?

Bạn có thể hơi ngạc nhiên vì câu hỏi đấy nhưng 0 & 1 thực ra chỉ là các giá trị logic do con người quy định ra. Bản thân vật liệu chúng không "hiểu" (mà tại sao phải "hiểu" thay con người?) các bit ấy mà chúng chỉ có các trạng thái vật lý khác nhau. Chúng ta lợi dụng sự khác biệt về trạng thái ấy để tự quy định ra bit 0 hoặc 1 cho riêng mình (có thể ở hành tinh khác thì các sinh vật thông minh trên ấy lại quy định ra bit khác). Và trên PCM, sự khác biệt ấy chính là điện trở (resistance).

PCM dựa trên một loại vật liệu được tạo thành từ phân tử Ge2Sb2Te5 (germanium, antimony và tellurium), viết tắt là GST. Vật liệu này có đặc điểm là khi có dòng điện (với điện thế riêng) chạy qua thì nó sẽ chuyển từ trạng thái (phase) vô định hình (amorphous) sang tinh thể (crystal) hoặc ngược lại. Hai trạng thái vật lý khác nhau này gây ra khác biệt lớn về điện trở và đấy là cơ sở để "đọc" chúng ra các bit 0 hoặc 1. Chính đặc điểm dựa trên trạng thái này mà chúng được gọi là bộ nhớ đảo pha (phase change).

Bạn đang thắc mắc: các vật liệu khác cũng có khả năng chuyển pha tương tự, lấy ví dụ nước có khả năng bay hơi và hoá lỏng, vậy tại sao lại chọn GST? Vấn đề là thời gian chuyển pha. Như đã nêu ở trên, thay đổi 1 bit PCM chậm hơn 1 bit DRAM khoảng 1 - 10 ns (quá trình đọc ngẫu nhiên hoặc ghi mới toàn bộ trên một mảng DRAM trung bình hiện nay khoảng 100 ns). Đây là một tốc độ rất nhanh. Nếu bạn so sánh với HDD / SSD, thực tế các quá trình thay đổi bit này diễn ra trong phạm vi tới hàng ms (1 ms = 1.000.000 ns). Đây chính là lý do tại sao PCM / DRAM nhanh gấp bội so với flash / HDD: trước khi HDD thực hiện xong 1 tiến trình đọc ghi thì PCM / DRAM đã thực hiện được trước đấy vài trăm ngàn tiến trình tương tự.

Tuy vậy, nhiều người vẫn chưa "hài lòng" với tốc độ hiện nay của PCM. Họ muốn nó nhanh hơn và thậm chí vượt được cả DRAM để một ngày nào đó, PRAM sẽ trở thành chuẩn nhớ mới thay thế chuẩn DRAM "cũ kỹ". Một trong những người ấy là GS. Stephen Elliott thuộc ĐH Cambridge (Anh) và nhờ công trình nghiên cứu của ông, hôm nay chúng ta có bài viết này.

Như đã nêu, vấn đề với PCM chính là tốc độ chuyển giữa pha vô định hình và pha tinh thể. Thời gian thực hiện này càng ngắn thì tốc độ càng cao. Song việc chuyển pha không phải cứ "muốn" nhanh là được. Trạng thái của khối vật chất GST cần được ổn định (stable) nhằm đạt giá trị điện trở phù hợp với quy định bit 0 hoặc 1. Nếu trạng thái này không ổn định thì điện trở sẽ dao động trong một khoảng lớn và trình điều khiển nhớ sẽ không "đọc" được chính xác giá trị bit mong muốn.

Cách mà nhóm của Elliott khắc phục vấn đề là đặt vào giữa 2 cực titanium của khối GST hình trụ một điện thế 0,3V trong suốt toàn bộ tiến trình. Sau đấy họ kích hoạt quá trình tinh thể hoá bằng một điện thế 1V được duy trì trong thời gian 0,5 ns (hoặc 500 ps). Rồi họ "nung chảy" khối tinh thể trên (chuyển sang dạng vô định hình) bằng một điện thế 6,5V tương tự khác. Điều mà nhóm Elliott đạt được chính là thời gian thực hiện việc chuyển pha - chỉ 0,5 ns tức nhanh gấp 10 lần kỷ lục trước đây trên một vật liệu PCM germanium-tellurium khác!

Với phương pháp "nạp sẵn điện" của nhóm Elliott, "tuổi thọ" mẫu tế bào PCM đạt được 10.000 lần ghi xoá. Tại sao việc "nạp sẵn" này lại giảm đi 10 lần thời gian chuyển pha? Một mô hình giả lập trên máy tính cho thấy mức điện thế thấp này tạo ra "sẵn" các mầm tinh thế (seed) luôn sẵn sàng cho quá trình tinh thể hoá và nhờ đấy rút ngắn tốc độ chuyển pha. Để tiện hình dung hiện tượng này, bạn có thể xem một đoạn clip mô tả cách tạo ra "nước băng" (crystallization water) trong điều kiện thông thường.

Trước đấy, một số nhà nghiên cứu khác đã thử "cheat" tốc độ chuyển pha bằng cách pha thêm một số kim loại khác nhằm tạo ra điểm mồi (prime) cho sự tinh thể hoá. Rõ ràng là vẫn có khá nhiều cách để cải thiện tốc độ của PCM. Riêng với cách của Elliott, vài người đặt ra nghi vấn liệu mức điện thế 0,3V được duy trì trong suốt thời gian hoạt động của thiết bị có gây ra hao hụt đáng kể nào về mặt điện năng hay không.

Câu chuyện về PRAM hẳn sẽ còn nhiều thứ để kể.