ساخت حافظه فلش غیرفرار با سرعتی 10 هزار برابر بیشتر از فناوری‌های فعلی

محققان دانشگاه فودان چین با توسعه تراشه‌ای به نام PoX، سریع‌ترین حافظه فلش غیرفرار جهان را ساختند که سرعت آن 10 هزار برابر بیشتر از فناوری‌های فعلی است.

به گزارش تک‌ناک، فلش غیرفرار نوعی حافظه ذخیره‌سازی الکترونیکی است، که داده‌ها را حتی پس از قطع برق حفظ می‌کند. برخلاف حافظه‌های فرار مانند RAM که با خاموش شدن دستگاه، اطلاعات خود را از دست می‌دهند، حافظه‌های فلش غیرفرار، اطلاعات را به‌ صورت پایدار نگه می‌دارند.

این نوع حافظه در دستگاه‌هایی مانند: فلش مموری‌ها، SSDها، کارت‌های حافظه و بسیاری از تلفن‌های هوشمند و لپ‌تاپ‌ها به‌کار می‌رود. اصطلاح «غیرفرار» به این معنا است که داده‌های ذخیره‌شده در آن نیاز به منبع تغذیه مداوم ندارند و حتی در صورت خاموش شدن دستگاه، باقی می‌مانند.

نتایج این پژوهش در ژورنال Nature منتشر شد و مرز سرعت حافظه‌های غیرفرار را به قلمرو حافظه‌های فرّار سریع کشاند. این حافظه غیرفرار جدید قادر است تنها در ۴۰۰ پیکوثانیه یک بیت را بنویسد و گامی مهم برای سخت‌افزارهای هوش مصنوعی است، که با حجم عظیمی از داده‌ها سروکار دارند.

شکستن سقف سرعت حافظه فلش

حافظه‌های رم ایستا و دینامیک (SRAM و DRAM)، داده‌ها را در بازه ۱ تا ۱۰ نانوثانیه می‌نویسند، اما با قطع برق همه اطلاعات را از دست می‌دهند. در مقابل، تراشه‌های فلش بدون نیاز به برق، داده را حفظ می‌کنند، اما برای نوشتن به زمان‌هایی در حد میکروثانیه تا میلی‌ثانیه نیاز دارند، که برای شتاب‌دهنده‌های هوش مصنوعی امروزی بسیار کُند است.

گروه فودان به سرپرستی پروفسور «ژو پنگ» در آزمایشگاه کلیدی دولتی تراشه‌های مجتمع، فیزیک حافظه‌های فلش را از پایه بازطراحی کردند. آنها به‌جای کانال‌های سیلیکونی، از گرافین دو‌بعدی نوع Dirac بهره گرفتند، که امکان انتقال بالستیک بار الکتریکی را فراهم می‌کند.

این تیم با تنظیم طول «گوسی» کانال توانست به تزریق فوق‌العاده دو‌بعدی دست یابد؛ نوعی جریان باردار بدون محدودیت که از گلوگاه کلاسیک تزریق الکتریکی عبور می‌کند.

ژو در گفت‌وگو با خبرگزاری شینهوا گفت: «ما با استفاده از بهینه‌سازی فرایندها با کمک هوش مصنوعی، حافظه غیرفرار را به مرز نظری سرعت رساندیم»

وی تصریح کرد: «این دستاورد، مسیر را برای حافظه‌های فلش پرسرعت آینده هموار می‌کند.»

یک میلیارد چرخه در یک چشم بر هم زدن

دکتر «لیو چونسن»، همکار پژوهشگر، این پیشرفت گذر از فلش‌مموری‌های معمولی با سرعت نوشتن هزار بار در ثانیه را به تراشه‌ای تشبیه کرد که در مدت زمان یک پلک زدن، یک میلیارد بار عملیات نوشتن انجام می‌دهد. رکورد قبلی سرعت نوشتن در حافظه‌های فلش غیرفرار حدود دو میلیون عملیات در ثانیه بود.

حافظه PoX به دلیل غیرفرار بودن، بدون نیاز به توان آماده‌باش، داده‌ها را حفظ می‌کند؛ که ویژگی حیاتی برای سیستم‌های هوش مصنوعی لبه‌ای و تجهیزات کم‌مصرف باتری‌محور است. ترکیب مصرف انرژی بسیار پایین با سرعت نوشتن در حد پیکوثانیه، می‌تواند گلوگاه همیشگی حافظه را در سخت‌افزارهای آموزش و اجرای هوش مصنوعی از میان بردارد؛ جایی که اکنون جابه‌جایی داده‌ها، نه محاسبه، بیشترین انرژی را مصرف می‌کند.

پیامدهای صنعتی و راهبردی حافظه فلش غیرفرار

حافظه‌های فلش هنوز یکی از ارکان اصلی استراتژی جهانی نیمه‌هادی‌ها محسوب می‌شوند، چرا که هم مقرون‌به‌صرفه و هم مقیاس‌پذیر هستند. پیشرفت دانشگاه فودان، بنا به نظر داوران نشریه Nature، یک «مکانیسم کاملاً نوآورانه» ارائه داده، که ممکن است معادلات این صنعت را بر هم بزند.

در صورت تولید انبوه، حافظه‌هایی از نوع PoX می‌توانند نیاز به حافظه‌های SRAM پرسرعت جداگانه را در تراشه‌های هوش مصنوعی از بین ببرند؛ این موضوع کاهش مصرف انرژی و فضای تراشه را به دنبال دارد. همچنین امکان ساخت لپ‌تاپ‌ها و گوشی‌هایی با راه‌اندازی آنی و مصرف بسیار پایین را فراهم می‌کند و موتورهای پایگاه‌داده‌ای را ممکن می‌سازد، که کل داده‌های کاری را به‌ صورت پایدار در RAM نگه دارند.

همچنین این فناوری می‌تواند تلاش‌های چین را برای دستیابی به استقلال و رهبری در فناوری‌های پایه‌ای تراشه تقویت کند. البته تیم پژوهشی هنوز درباره دوام (endurance) این تراشه‌ها یا بازده ساخت (yield) اطلاعاتی منتشر نکرده است، اما استفاده از کانال گرافینی نشان می‌دهد که این طراحی با فرایندهای فعلی ساخت مواد دوبعدی سازگار است، که کارخانه‌های جهانی نیز در حال بررسی آن هستند.

ژو در پایان تأکید کرد: «پیشرفت ما می‌تواند فناوری ذخیره‌سازی را متحول کند، باعث ارتقای صنعتی شود و سناریوهای کاربردی جدیدی را باز کند.»

گام بعدی در حافظه فلش غیرفرار چیست؟

مهندسان دانشگاه فودان در حال توسعه معماری سلولی این حافظه و حرکت به‌سوی ساخت نمونه‌هایی در ابعاد آرایه‌ای هستند. هنوز شریک تجاری خاصی معرفی نشده است، اما کارخانه‌های تراشه‌سازی چین به‌ سرعت در حال تلاش برای ادغام مواد دو‌بعدی با فرایندهای استاندارد CMOS هستند.