Những công tắc nguyên tử mô phỏng não người có thể thay thế các chất bán dẫn

Sau hơn 12 năm khai sinh tại Nhật Bản, các công tắc (hay các switch) nguyên tử - thiết bị được nhiều chuyên gia tin rằng có thể thay thế chất bán dẫn trong các chip máy tính – giờ đã sẵn sàng cho lần ra mắt đầu tiên. Các cơ chế tiết kiệm năng lượng này đang nắm trong tay tiềm năng cách mạng hóa ngành công nghệ thông tin.

Hay nói một cách chính xác hơn, các công tắc kiểu mới này được kỳ vọng sẽ đi đầu trong việc phát triển một loại chip neuromorphic (chip mô phỏng nơ ron thần kinh) – một con chip với các đặc tính tương tự như các nơ ron thần kinh trong bộ não. Những thiết bị như vậy có thể có khả năng đưa ra các quyết định giống như cách con người làm.

NEC đã bắt đầu sản xuất các sản phẩm mẫu của con chip có kích thước nhỏ, tiết kiệm năng lượng và độ bền cao kết hợp với các công tắc nguyên tử này. Vào tháng Mười vừa qua, nhà sản xuất thiết bị điện tử của Nhật Bản này thông báo rằng, họ đã bắt đầu sản xuất các sản phẩm mẫu của con chip này, đi kèm với công nghệ công tắc nguyên tử có tên gọi NanoBridge. Năng suất hàng tháng với dây chuyền đĩa wafer 300mm ở Nhật Bản dự kiến sẽ lên đến tổng số 5.000 sản phẩm.

Ngoài các sản phẩm mẫu, NEC còn có kế hoạch thực hiện việc thử nghiệm trên quy mô lớn hơn để xác nhận rằng, con chip mới ít bị tác động bởi các sóng bức xạ hơn so với những mô hình thường thấy. Nhờ vào kỹ thuật đi dây kim loại của mình, các công tắc nguyên tử này hiếm khi bị hỏng hóc do sóng bức xạ và các nhiễu động điện từ.

Con chip mới sẽ được sử dụng trong con tàu vũ trụ có tên gọi Innovative Satellite Technology Demonstration 1, do Cơ quan thăm dò Không gian Nhật Bản phóng đi trên quả tên lửa nhỏ Epsilon vào năm tài chính tiếp theo từ tháng Tư.

Các lý thuyết cơ bản

Để hiểu được tầm quan trọng của bước chuyển đổi công nghệ này, chúng ta phải lướt qua một số vấn đề cơ bản tương đối phức tạp.

Các chip bán dẫn thông thường sử dụng các bóng bán dẫn như các công tắc để bật tắt những tín hiệu điện. Các hoạt động này có vai trò điều khiển dòng chuyển động của hạt electron. Mặt khác, các công tắc nguyên tử hoạt động bằng cách điều khiển các dòng chuyển động của hạt nguyên tử. Các tín hiệu điện được bật tắt thông qua những cụm kim loại có kích thước nano, thay vì thông qua các dòng điện.

Các nhà sản xuất chip cung cấp một sản phẩm, được gọi là các chip mảng cổng có thể lập trình được (chip FPGA), cho phép các khách hàng cấu hình lại nó sau khi sản xuất, hay còn gọi là “ngay tại chỗ” (in the field). Giống như các chip FPGA trước đây, con chip mới của NEC có thể được người dùng chỉnh sửa để đáp ứng các nhu cầu của họ.

Nhưng con chip mới này chỉ có kích thước bằng 1/3 những người tiền nhiệm của mình, khi các công tắc được làm nhỏ hơn và công nghệ này loại bỏ việc cần đến bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh, hay SRAM (static random access memory) – bộ nhớ không mất thông tin khi không có nguồn điện cung cấp.

Chip FPGA mới cũng tiết kiệm năng lượng gấp 10 lần so với các model trước đây, khi đoạn dây đi bên trong nó ngắn hơn và nó không tiêu tốn năng lượng ở trạng thái standby.

Nguyên lý hoạt động của công tắc lượng tử

Công nghệ công tắc nguyên tử được tạo ra ở Nhật Bản. Ba người quan trọng nhất của nhóm nghiên cứu tại Học viện Quốc gia về Khoa học Vật liệu là Masakazu Aono, Tsuyoshi Hasegawa và Kazuya Terabe. Aono hiện đang là cố vấn điều hành tại Trung tâm Quốc tế về Kiến trúc Nano của Vật liệu. Hasegawa hiện là giáo sư tại Đại học Waseda, trong khi Terabe hiện là trưởng nhóm tại NIMS.

Công nghệ họ phát triển hoạt động như sau: một công tắc nguyên tử bao gồm một điện cực bằng chất điện phân dạng rắn và một điện cực bằng kim loại. Hai điện cực này nằm cách nhau một khoảng bằng 1nm.

Khi một điện áp lệch âm được áp vào điện cực bằng kim loại, các nguyên tử kim loại sẽ lắng đọng trên bề mặt của điện cực bằng chất điện phân dạng rắn, kết quả là hình thành nên một cụm nguyên tử kim loại giống như trụ băng giữa hai điện cực, để bật công tắc lên.

Cụm nguyên tử kim loại bám trên bề mặt điện cực bằng chất điện phân chỉ có kích thước bằng vài nguyên tử. Khi nó vươn tới điện cực bằng kim loại ở phía đối diện, công tắc sẽ được bật lên. Công tắc nguyên tử lúc này hoạt động bằng cách điều khiển dòng chuyển dịch của các nguyên tử.

Ngược lại, khi một điện áp lệch dương được áp vào điện cực bằng kim loại, các nguyên tử kim loại đã lắng đọng sẽ hòa tan vào điện cực bằng chất điện phân dạng rắn, kết quả là làm biến mất cụm nguyên tử kim loại giữa hai điện cực để tắt công tắc.

Các chip công tắc nguyên tử có tiềm năng thay thế toàn bộ các loại chất bán dẫn hiện tại, bao gồm cả các chip nhớ.

Ngay cả khi nguồn điện bị tắt, các thiết bị sử dụng công tắc nguyên tử cũng sẽ không mất dữ liệu, bởi vì chúng không bị mất thông tin. Đó là lý do tại sao công nghệ này được kỳ vọng sẽ làm nên các bộ nhớ không mất thông tin, giống như bộ nhớ flash, trong tương lai.

Trong khi đó, Terabe, một trong các nhà phát triển, đang đặc biệt chú ý đến một tính năng độc đáo khác của các công tắc nguyên tử này: sự tương đồng giữa chúng với bộ não người.

Cụm nguyên tử kim loại nối dài từ điện cực bằng kim loại tới điện cực bằng chất điện phân dạng rắn cũng tương tự như một khớp nối thần kinh, kết nối các nơ ron và tạo thành một mạch thần kinh, tăng cường khả năng nhớ của cơ thể.

Con người có cả trí nhớ dài hạn, hay đã được cố định, và trí nhớ ngắn hạn, hay tạm thời. Tương tự như vậy, một thiết bị dùng công tắc nguyên tử có thể thể hiện sự khác biệt trong các bộ nhớ dài hạn và ngắn hạn khác nhau.

“Có khả năng nó sẽ được sử dụng như một chip mô phỏng thần kinh có chức năng tương tự như một mạng lưới thần kinh của bộ não, hay như một “thiết bị ra quyết định” có thể đưa ra các quyết định như con người.” Ông Terabe cho biết.

Ông và các đồng nghiệp của mình đã khám phá ra nguyên tắc hoạt động của switch nguyên tử vào khoảng những năm 2000. Vào đầu năm 2005, họ thông báo phát triển thành công loại công tắc này, mở đường cho việc sản xuất loại chip hiệu suất cao sử dụng các công tắc như vậy. Gần hai thập kỷ sau đó, việc thương mại công nghệ đột phá này đã trong tầm tay.

Tham khảo NIKKEI