Giấc mơ từ lâu chưa thành hiện thực: Một chip nhớ, vừa làm RAM, vừa dùng lưu trữ

Còn trong khi đó, xét riêng khía cạnh những ổ cứng thể rắn, như SSD trong máy tính của anh em, hay những chip nhớ chuẩn UFS trong điện thoại, chip NAND trông phức tạp hơn về mặt kết cấu, với những cell nhớ có khả năng lưu trữ các bit dữ liệu ngay cả khi ngắt nguồn, tắt máy chẳng hạn.

Kết hợp cả hai công nghệ chip nhớ này lại với nhau, hệ thống thiết bị điện toán sẽ vận hành như thế này. Chip xử lý, thường là cụm nhân CPU sẽ ra lệnh gọi dữ liệu từ ứng dụng, hoặc ứng dụng sẽ yêu cầu CPU lấy dữ liệu từ thiết bị lưu trữ. Tuy nhiên tốc độ xử lý của CPU, cũng như bản thân tốc độ của từng transistor của hệ thống bộ nhớ đệm trong chip xử lý quá nhanh, ổ cứng, kể cả là những SSD nhanh nhất hiện giờ cũng không thể bắt kịp.



Lấy ví dụ, SSD chuẩn PCIe 5.0 x4 hiện giờ có tốc độ đọc và ghi dữ liệu khoảng 14 GB/s. Nhưng ở tầng bộ nhớ đệm L1, ngay sát các thanh ghi (register) của nhân CPU trong chip xử lý, tốc độ tính bằng TB/s. Vậy là có hai giải pháp được đưa ra. Hoặc chúng ta cố gắng đẩy tốc độ đọc và ghi dữ liệu từ thiết bị lưu trữ, thứ mà đến giờ vẫn chưa thể đáp ứng được cho một hệ thống điện toán không có chip RAM.

Giải pháp thứ hai, như hàng chục năm qua, là sử dụng bộ nhớ RAM để làm cầu nối giữa CPU và SSD.



Tốc độ của DRAM, với những công nghệ mới, càng lúc càng nhanh, và bản thân chip DRAM cũng có độ bền vận hành đọc và ghi ấn tượng hơn rất nhiều so với NAND. Thành ra chỉ có SSD của anh em, sử dụng chip NAND, mới có thông số tuổi thọ Total Bytes Written, chứ RAM thì chỉ có thông số quan trọng nhất là tốc độ xử lý dữ liệu mỗi giây mà thôi.

Ở khía cạnh vật lý và công nghệ bán dẫn, chính bản thân kết cấu của chip DRAM và chip NAND đã tạo ra hai giải pháp đến giờ chưa thể kết hợp lại với nhau. DRAM lưu trữ các bit dữ liệu bằng tụ điện, nên tắt điện là mất dữ liệu. Còn NAND thì dùng transistor dạng cổng nổi để lưu trữ các bit dữ liệu.

Vài giải pháp dùng ổ cứng để làm RAM

Đáng chú ý nhất, và cũng đã từng được thương mại hóa, dù rằng không tồn tại được lâu chính là Intel Optane. Một giải pháp khác là Scratch Disk.

Anh em dùng Photoshop làm việc hàng ngày sẽ thấy một tính năng gọi là Sratch Disk. Khi sử dụng tính năng này, một phần ổ cứng sẽ được dùng làm “nháp”, như chính cái tên gọi của tính năng này. Những dữ liệu tạm thời trong phiên làm việc của anh em với Photoshop sẽ được lưu trữ một phần trong Scratch Disk, bên cạnh RAM. Nhờ đó, anh em có thể làm việc và để Photoshop xử lý công việc vượt qua cả dung lượng RAM vốn có của hệ thống máy tính.



Còn trong khi đó, Intel Optane là một giải pháp từng đầy tiềm năng giữa thời kỳ chuyển giao từ HDD tiêu dùng sang những mẫu SSD, từ SATA 3 cho tới những thanh SSD chuẩn NVMe, format M.2 trong máy tính của anh em. Trên những ổ Optane này về cơ bản vẫn chỉ là những module NAND để làm bộ nhớ đệm tăng tốc độ truy xuất dữ liệu từ HDD vào RAM để CPU xử lý dữ liệu.

Nhưng không có giải pháp nào thay thế theo hướng vật lý những gì mà chip DRAM trong hệ thống máy tính của anh em làm được cả. Đó là lúc nhìn vào những nghiên cứu gần đây của các nhà khoa học, cũng như của các tập đoàn công nghệ lớn.

Những nghiên cứu của Samsung và đại học Lancaster

Mục tiêu rất đơn giản: Tạo ra những wafer chip nhớ bán dẫn với tốc độ và độ bền của DRAM, nhưng với khả năng lưu trữ dữ liệu ngay cả khi ngắt nguồn điện của NAND.

Gần đây nhất, các nhà khoa học tại đại học Lancaster đã tiến gần hơn tới việc sản xuất thử nghiệm giải pháp gọi là UltraRAM của họ. Để làm được điều này, các nhà nghiên cứu đã ứng dụng hai công nghệ, gọi là giếng lượng tử chất liệu indium arsenide, và những lớp rào chắn bằng nhôm antimon. Những lớp vật liệu này được trồng một cách chính xác ở mức độ từng nguyên tử, nhờ đó những thiết bị quang khắc bán dẫn hiện tại có thể tạo ra những cell nhớ vận hành ổn định.



Với giải pháp này, một cell nhớ có thể vận hành như một công tắc. Nếu muốn, nó sẽ là DRAM xử lý dữ liệu tốc độ cao. Hoặc ở một cell khác, nó sẽ là thứ lưu trữ bit dữ liệu một cách ổn định và lâu dài. Nhờ đó, xét trên khía cạnh máy chủ đám mây, việc có những chip nhớ dạng UltraRAM sẽ cho phép thời gian khởi động hệ thống giảm đáng kể, thậm chí hệ thống có crash thì cũng có thể khởi động lại rất nhanh ở đúng tình trạng trước khi crash, vì dữ liệu vẫn đang được lưu trữ ổn định.

Một đột phá khác thì đến từ Samsung, với công nghệ SoM (Selector-Only Memory) mà họ đã phát triển trong gần chục năm qua. Gần đây Samsung cho biết sẽ có những giải pháp SSD máy chủ ứng dụng chip nhớ z-NAND, chính là tên thương mại của công nghệ chip SOM.



Ý tưởng lý thuyết để tạo ra chip nhớ SOM của Samsung có nền móng là những vật liệu chalcogen, tức là những hợp chất có chứa ion của những nguyên tố thuộc nhóm oxy, ví dụ như lưu huỳnh, Selenium và Tellurium. Thông thường, những chip RAM dạng chuyển pha hay chuyển điện trở sẽ cần transistor đóng vai trò lựa chọn kích hoạt mỗi cell nhớ trên chip bán dẫn. Nhưng những vật liệu chalcogen thì có thể chuyển đổi linh hoạt giữa chế độ dẫn điện và chế độ điện trở, từ đó lưu trữ dữ liệu dưới dạng những con số nhị phân 1 và 0.

Những chip SOM trong z-NAND cũng vận hành theo kiểu có thể chuyển đổi qua lại giữa hai chế độ: Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên, và bộ nhớ điện tĩnh. Theo quảng cáo của Samsung, Z-NAND mới có thể đạt hiệu năng cao hơn gấp 15 lần so với NAND thông thường và giảm khoảng 80% mức tiêu thụ điện năng.