Nếu được dùng làm RAM, bộ nhớ đổi pha PCM sẽ có tốc độ nhanh hơn gấp ngàn lần

Bộ nhớ đổi pha (Phase Change Memory - PCM) là công nghệ bộ nhớ không khả biến (non-volatile) hứa hẹn sẽ được ứng dụng trên thế hệ ổ cứng SSD tiếp theo. Tuy nhiên, không chỉ ổ cứng mà PCM tiềm năng có thể được dùng làm bộ nhớ DRAM khả biến (volatile) để khai thác ưu điểm về tốc độ truy xuất cực cao của nó. Đại học Stanford đã chứng minh rằng PCM có thể đạt tốc độ cao hơn gấp ngàn lần so với DRAM thông thường.

Trước khi đến với nghiên cứu của Stanford thì chúng ta cần phải hiểu rằng chip nhớ silicon thông thường có 2 dạng gồm: bộ nhớ khả biến (volatile) như RAM trên máy tính với đặc tính là dữ liệu sẽ mất đi khi mất điện (tắt máy) và không khả biến (non-volatile) như các loại bộ nhớ flash (chip nhớ trên điện thoại hay ổ cứng SSD trên máy tính) có thể lưu trữ dữ liệu ngay cả khi đã tắt máy.

Bộ nhớ khả biến có tốc độ truy xuất cao hơn so với bộ nhớ không khả biến nhưng bộ nhớ không khả biến lại có thể lưu trữ dữ liệu dài lâu. Đây cũng là lý do tại sao các công nghệ bộ nhớ flash lại được dùng cho thiết bị lưu trữ trong khi đó RAM thì hoạt động phối hợp với CPU để lưu trữ dữ liệu tạm thời trong quá trình tính toán bởi tốc độ của nó được đo bằng nano giây (10^-9 giây).

PCM là một công nghệ bộ nhớ không khả biến rất độc đáo, được chế tạo bằng các vật liệu bán dẫn đặc biệt (chẳng hạn như thuỷ tinh chalcogenide) và được chính những kỹ sư của đại học Stanford nghiên cứu từ những năm 60, 70 của thế kỷ trước. Công nghệ bộ nhớ PCM cũng đang được nhiều hãng đầu tư phát triển nhưng ứng dụng chủ yếu trong công nghệ ổ cứng, chẳng hạn như IBM, HGST và thậm chí Intel với công nghệ bộ nhớ Optane/3D Xpoint cũng được cho là phát triển dựa trên PCM.

Đại học Stanford đã chứng minh rằng PCM có thể đạt tốc độ cao hơn gấp ngàn lần so với DRAM thông thường.

Thế nhưng các nhà nghiên cứu tại Stanford đã chứng minh rằng PCM có thể mang những ưu điểm lên cả 2 loại bộ nhớ, vừa có thể lưu trữ dữ liệu vĩnh cửu, vừa có thể mang lại tốc độ truy xuất nhanh hơn ngàn lần so với các loại bộ nhớ hiện nay, chưa kể là tiết kiệm điện năng hơn.

Chip nhớ silicon thông thường hoạt động theo cơ chế bật và tắt các dòng electron tương ứng với tín hiệu 1 và 0 kỹ thuật số. Các nhà khoa học vẫn đang tìm kiếm vật liệu mới và quy trình xử lý mới sao cho tiết kiệm điện hơn và ít chiếm diện tích hơn so với silicon. PCM là một trong những giải pháp tiềm năng bởi nó sử dụng các vật liệu sở hữu cấu trúc nguyên tử linh hoạt. PCM có 2 trạng thái: không kết tinh (amorphous) với trở kháng cao và trạng thái kết tinh (crystalline) với trở kháng thấp. Ở trạng thái không kết tinh (hay hỗn loạn), cấu trúc nguyên tử sẽ chặn dòng electron trong khi ở trạng thái kết tinh (hay trật tự), cấu trúc nguyên tử sẽ cho dòng electron di chuyển qua.

Sở dĩ vật liệu đổi pha được xem là giải pháp thay thế tiềm năng cho bộ nhớ silicon hiện tại bởi nó có thể duy trì bất cứ trạng thái điện tích nào thích nghi với cấu trúc của nó. Một khi nguyên tử vật liệu chuyển đổi qua lại giữa 2 trạng thái để hình thành tín hiệu 1 hoặc 0 thì vật liệu có thể lưu trữ dữ liệu đó cho đến khi một nguồn năng lượng khác khiến nó thay đổi. Khả năng lưu giữ dữ liệu này khiến bộ nhớ đổi pha không khả biến có thể được dùng như bộ nhớ NAND flash trên điện thoại hay ổ cứng SSD.

Tuy nhiên, để sử dụng làm bộ nhớ DRAM vốn dĩ khả biến thì ngoài khả năng lưu trữ dữ liệu, PCM cần phải có tốc độ nhanh và tiêu thụ ít điện năng. Nhược điểm cố hữu của bộ nhớ DRAM chính là khoảng trống bộ nhớ (memory gap hay memory wall) nên chúng ta có thể thấy mặc dù xung nhịp bộ nhớ DRAM đã không ngừng tăng trong suốt 30 năm qua nhưng khoảng thời gian phát động chỉ thị và phản hồi (hay độ trễ latency) của bộ nhớ vẫn không được cải thiện nhiều. Và nhược điểm này có thể sẽ được khắc phục bởi PCM.

Nguyên mẫu PCIe SSD Onyx Moneta.​

Nhóm nghiên cứu gồm 19 thành viên do phó giáo sư khoa học vật liệu và khoa học photon Aaron Lindenberg lãnh đạo đã tìm ra cách chuyển đổi nhanh giữa 2 trạng thái không kết tinh và kết tinh của vật liệu tương ứng với chuyển từ 0 sang 1 và 1 trở về 0 bằng cách áp dụng các xung điện hoặc quang.

Họ đặt một mẫu vật liệu kết tinh vào một điện trường có sức mạnh tương đương với một tia sét. Dựa trên một thiết bị đo, các nhà nghiên cứu đã đo được cấu trúc nguyên tử của vật liệu đổi trạng thái từ kết tinh (0) sang kết tinh (1) trong chưa đầy 1 pico giây (10^-12 giây). Điều này có nghĩa PCM có thể lưu trữ dữ liệu nhanh hơn gấp nhiều lần so với RAM làm bằng silicon đối với những tác vụ đòi hỏi bộ nhớ và vi xử lý phải hoạt động với tốc độ cao như nhau. Như vậy có thể nói PCM sẽ loại bỏ khoảng cách về độ trễ giữa bộ nhớ RAM và CPU.

Tuy nhiên, vẫn còn nhiều trở ngại trên bước đường ứng dụng công nghệ PCM vào bộ nhớ DRAM bởi lẽ những xung điện năng lượng lớn vẫn chưa thể được tạo ra trên mạch PCB và tín hiệu khó có thể truyền đi thông qua những mạch in bằng đồng trên thiết kế bo mạch hiện đại. Những gì chúng ta được biết hiện tại là PCM có thể chuyển đổi trạng thái rất nhanh. Khả năng hoạt động ở tỉ lệ pico giây không đảm bảo rằng công nghệ này sẽ thay thế DRAM nhưng nó chứng minh rằng PCM có tiềm năng hoạt động ở các tần số mà DRAM không thể nào chạm tới.