انقلاب در تراشه‌های حافظه؛ پژوهشگران چینی ذخیره‌سازی تک‌الکترونی را محقق کردند

پژوهشگران دانشگاه فودان در شانگهای به دستاوردی تازه در حوزه فناوری حافظه دست یافته‌اند که می‌تواند مسیر توسعه نسل آینده سامانه‌های محاسباتی را تغییر دهد.

این گروه پژوهشی موفق به توسعه یک دستگاه حافظه فلش کوانتومی تک‌الکترونی دوبعدی شده است؛ فناوری‌ای که می‌تواند همزمان سرعت بالا، مصرف انرژی بسیار پایین و قابلیت حفظ داده‌ها بدون اتصال به منبع برق را ارائه دهد.

اهمیت این دستاورد زمانی بیشتر مشخص می‌شود که بدانیم سامانه‌های هوش مصنوعی و محاسبات پیشرفته به حجم عظیمی از داده نیاز دارند و انتقال و ذخیره این داده‌ها به یکی از مهم‌ترین گلوگاه‌های افزایش عملکرد رایانه‌ها تبدیل شده است.

فناوری جدید دانشگاه فودان با هدف کاهش همین گلوگاه توسعه یافته و در صورت تبدیل شدن به یک فناوری عملیاتی، می‌تواند به ساخت حافظه‌هایی با چگالی بالاتر و مصرف انرژی بسیار کمتر منجر شود.

سه ویژگی که تاکنون جمع کردن آنها دشوار بود

حافظه‌های مورد استفاده در رایانه‌های امروزی هر کدام نقاط قوت و ضعف خاص خود را دارند.

حافظه DRAM از سرعت بسیار بالایی برخوردار است و به همین دلیل در سامانه‌های محاسباتی قدرتمند مورد استفاده قرار می‌گیرد، اما داده‌های آن با قطع برق از بین می‌روند.

در طرف مقابل، حافظه فلش سه‌بعدی NAND می‌تواند اطلاعات را برای مدت طولانی بدون نیاز به برق حفظ کند، اما سرعت خواندن و نوشتن آن پایین‌تر از DRAM است.

پژوهشگران دانشگاه فودان تلاش کرده‌اند این محدودیت‌ها را در یک فناوری واحد برطرف کنند. نتیجه این تلاش، حافظه‌ای است که سه ویژگی مهم را همزمان دنبال می‌کند:

• سرعت بالا
• مصرف انرژی پایین
• حفظ داده بدون نیاز به برق

ترکیب این سه ویژگی یکی از چالش‌های اصلی در طراحی حافظه‌های نسل آینده محسوب می‌شود.

چرا حافظه برای آینده هوش مصنوعی حیاتی است؟

افزایش قدرت پردازنده‌ها به‌تنهایی برای توسعه هوش مصنوعی کافی نیست. مدل‌های پیشرفته هوش مصنوعی باید حجم بسیار زیادی از داده را ذخیره، بازیابی و جابه‌جا کنند.

هرچه مدل‌های هوش مصنوعی بزرگ‌تر و پیچیده‌تر شوند، فاصله میان پردازنده و حافظه می‌تواند به یک گلوگاه جدی تبدیل شود. اگر پردازنده بتواند داده‌ها را بسیار سریع پردازش کند اما حافظه نتواند آنها را با سرعت کافی در اختیار پردازنده قرار دهد، بخش قابل توجهی از توان محاسباتی بلااستفاده خواهد ماند.

از سوی دیگر، مراکز داده و سامانه‌های هوش مصنوعی انرژی بسیار زیادی مصرف می‌کنند. بنابراین کاهش انرژی مورد نیاز برای ذخیره و انتقال داده می‌تواند اهمیت زیادی در توسعه زیرساخت‌های آینده داشته باشد.

پژوهشگران فودان نیز معتقدند فناوری جدید می‌تواند به نیازهای رو به رشد محاسباتی هوش مصنوعی عمومی یا AGI پاسخ دهد؛ حوزه‌ای که به سرعت بالا و بهره‌وری بیشتر در پردازش و ذخیره داده نیاز دارد.

پروژه‌ای که بیش از یک دهه ادامه داشته است

این دستاورد نتیجه یک پروژه کوتاه‌مدت نیست.

پژوهشگران آزمایشگاه کلیدی دولتی تراشه‌ها و سامانه‌های مجتمع و دانشکده مدارهای مجتمع و الکترونیک میکرو-نانو در دانشگاه فودان، بیش از یک دهه روی توسعه نسل جدیدی از فناوری‌های حافظه کار کرده‌اند.

این گروه سال گذشته نمونه اولیه‌ای با عنوان PoX 2D را معرفی کرد و در اکتبر همان سال نیز از نخستین تراشه حافظه فلش دوبعدی با قابلیت‌های کامل جهان با نام CY-01 رونمایی کرد.

اما پژوهشگران در مرحله بعدی به دنبال هدفی بسیار بلندپروازانه‌تر رفتند: آیا می‌توان یک بیت اطلاعات را تنها با یک الکترون ذخیره کرد؟

چرا یک الکترون اهمیت دارد؟

الکترون یکی از بنیادی‌ترین اجزای سامانه‌های الکترونیکی است و بار الکتریکی را حمل می‌کند.

از نظر نظری، اگر بتوان تنها با یک الکترون وضعیت یک بیت اطلاعات را کنترل کرد، می‌توان حافظه‌هایی با مصرف انرژی بسیار پایین و چگالی ذخیره‌سازی بسیار بالا ساخت.

اما مشکل اینجاست که در مقیاس یک الکترون، قوانین مکانیک کوانتومی نقش تعیین‌کننده‌ای پیدا می‌کنند و کنترل و مشاهده رفتار یک الکترون منفرد بسیار دشوار است.

به همین دلیل، تبدیل ایده «یک الکترون برای یک بیت» به یک دستگاه واقعی، چالشی جدی برای پژوهشگران بوده است.

کنترل یک الکترون در یک ساختار دوبعدی

گروه پژوهشی فودان برای حل این مشکل از ویژگی‌های مواد نیمه‌رسانای دوبعدی و اصول مکانیک کوانتومی استفاده کرده است.

ساختار جدید به پژوهشگران اجازه می‌دهد الکترون‌های منفرد را با دقت کنترل و وضعیت آنها را برای ذخیره اطلاعات مدیریت کنند.

نقطه مهم این پژوهش آن است که گروه فودان توانسته ذخیره‌سازی پایدار و غیرفرار یک الکترون منفرد را در دمای اتاق، حدود ۲۷ درجه سانتی‌گراد، مشاهده کند.

این موضوع اهمیت زیادی دارد؛ زیرا پیش از این تصور می‌شد بسیاری از رفتارهای کوانتومی مورد نیاز برای چنین فناوری‌هایی تنها در دماهای بسیار پایین قابل مشاهده و کنترل هستند.

ذخیره یک بیت با یک الکترون

یکی از مهم‌ترین نتایج این پژوهش، توسعه دستگاهی است که به گفته پژوهشگران، بزرگ‌ترین پنجره حافظه کوانتومی غیرفرار جهان را در اختیار دارد.

این دستگاه تنها با یک الکترون می‌تواند پنجره حافظه‌ای معادل ۰.۵ ولت ایجاد کند.

این نتیجه نشان می‌دهد که امکان استفاده از یک الکترون برای ذخیره یک بیت اطلاعات در یک ساختار حافظه‌ای عملیاتی وجود دارد.

اهمیت این موضوع در مقایسه با فناوری‌های رایج بهتر مشخص می‌شود.

بر اساس داده‌های ارائه‌شده در این پژوهش، فناوری پیشرفته DRAM برای ذخیره یک بیت اطلاعات معمولاً به حدود ۲۰۰ هزار الکترون نیاز دارد.

در فناوری جدید، همین کار با یک الکترون انجام می‌شود.

این تفاوت از نظر مصرف انرژی و چگالی ذخیره‌سازی می‌تواند بسیار قابل توجه باشد.

کاهش مصرف انرژی در مقیاس چشمگیر

کاهش تعداد الکترون‌های مورد نیاز برای نمایش اطلاعات به معنای کاهش قابل توجه انرژی مورد نیاز برای ذخیره داده است.

هرچه تعداد الکترون‌های لازم برای تغییر وضعیت حافظه کمتر شود، انرژی مورد نیاز برای عملیات ذخیره‌سازی نیز می‌تواند کاهش پیدا کند.

از سوی دیگر، استفاده از ساختارهای بسیار کوچک‌تر امکان افزایش چگالی حافظه را فراهم می‌کند.

به همین دلیل، حافظه تک‌الکترونی در صورت توسعه و تجاری‌سازی می‌تواند سه مزیت مهم را همزمان دنبال کند:

ظرفیت بیشتر، مصرف انرژی کمتر و سرعت بالاتر.

این سه عامل برای آینده مراکز داده و زیرساخت‌های هوش مصنوعی اهمیت ویژه‌ای دارند.

حافظه‌ای که می‌تواند به پردازنده نزدیک‌تر شود

یکی دیگر از ویژگی‌های مهم فناوری جدید، امکان یکپارچه‌سازی آن با پردازنده‌هاست.

در معماری‌های رایانشی موجود، پردازنده و حافظه معمولاً در بخش‌های جداگانه قرار دارند و انتقال داده میان آنها زمان و انرژی مصرف می‌کند.

این فاصله در سامانه‌های هوش مصنوعی که حجم عظیمی از داده را جابه‌جا می‌کنند، به یک مشکل جدی تبدیل شده است.

اگر حافظه‌های جدید بتوانند مستقیماً در کنار پردازنده یا حتی در ساختار آن یکپارچه شوند، انتقال داده سریع‌تر خواهد شد.

نتیجه می‌تواند کاهش تأخیر، افزایش بهره‌وری محاسباتی و استفاده مؤثرتر از توان پردازنده باشد.

کشف یک پدیده جدید در حافظه کوانتومی

دستاورد گروه فودان تنها به ساخت یک دستگاه حافظه محدود نمی‌شود.

پژوهشگران در جریان این پروژه موفق شدند یک پدیده جدید در حوزه حافظه کوانتومی را نیز پیش‌بینی و به‌صورت تجربی مشاهده کنند.

آنها این پدیده را با عنوان «قیچی چگالی حالت‌ها» توصیف کرده‌اند؛ سازوکاری که امکان کنترل دقیق یک حالت کوانتومی را فراهم می‌کند.

به گفته پژوهشگران، این کشف می‌تواند پایه نظری جدیدی برای توسعه حافظه‌های کوانتومی تک‌الکترونی ایجاد کند.

در نتیجه، این پژوهش علاوه بر جنبه مهندسی، از نظر علمی نیز اهمیت دارد؛ زیرا می‌تواند به درک بهتر رفتار کوانتومی در ساختارهای حافظه و توسعه نسل‌های بعدی این فناوری کمک کند.

آیا این فناوری به معنای پایان DRAM و NAND است؟

با وجود اهمیت این دستاورد، نباید آن را به معنای آماده بودن یک جایگزین تجاری برای حافظه‌های فعلی دانست.

فناوری‌های DRAM و NAND پس از چندین دهه توسعه، به سطح بالایی از بلوغ صنعتی رسیده‌اند و در مقیاس بسیار بزرگ تولید می‌شوند.

در مقابل، حافظه تک‌الکترونی همچنان در مرحله پژوهش و توسعه قرار دارد و تبدیل یک نمونه آزمایشگاهی به محصول تجاری به آزمایش‌های بیشتر، افزایش مقیاس تولید، بررسی دوام و قابلیت اطمینان و توسعه فرآیندهای ساخت نیاز دارد.

بنابراین، اهمیت فعلی این دستاورد بیش از آنکه در جایگزینی فوری حافظه‌های موجود باشد، در اثبات امکان یک معماری کاملاً متفاوت برای ذخیره اطلاعات است.

چرا این دستاورد برای رقابت فناوری چین مهم است؟

پیشرفت در فناوری‌های پیشرفته نیمه‌رسانا برای چین اهمیت ویژه‌ای دارد؛ به‌خصوص در شرایطی که صنعت تراشه این کشور با محدودیت‌های گسترده خارجی مواجه است.

حافظه یکی از بخش‌های مهم زنجیره نیمه‌رسانا محسوب می‌شود و توسعه فناوری‌های جدید در این حوزه می‌تواند به چین کمک کند در برخی مسیرهای تحقیقاتی از محدودیت‌های فناوری‌های متعارف فاصله بگیرد.

فناوری تک‌الکترونی نیز از این منظر اهمیت دارد، زیرا به جای صرفاً کوچک‌تر کردن معماری‌های موجود، به دنبال ایجاد یک رویکرد جدید برای ذخیره داده است.

اگر این مسیر تحقیقاتی در آینده به فناوری قابل تولید در مقیاس بالا تبدیل شود، می‌تواند یکی از مسیرهای چین برای ایجاد مزیت در نسل بعدی سخت‌افزارهای محاسباتی باشد.

آینده حافظه در عصر هوش مصنوعی

رشد هوش مصنوعی، نیاز به حافظه‌های سریع‌تر و کم‌مصرف‌تر را بیش از گذشته افزایش داده است.

مدل‌های بزرگ‌تر به داده بیشتری نیاز دارند و پردازش این داده‌ها مستلزم انتقال مداوم اطلاعات میان حافظه و پردازنده است. در چنین شرایطی، هر وات انرژی و هر واحد زمان اهمیت پیدا می‌کند.

از این منظر، فناوری‌ای که بتواند داده را با انرژی بسیار کمتر ذخیره و با سرعت بالاتر در اختیار پردازنده قرار دهد، می‌تواند نقش مهمی در معماری رایانش آینده داشته باشد.

حافظه‌های کوانتومی تک‌الکترونی هنوز با تجاری‌سازی فاصله دارند، اما پژوهش دانشگاه فودان نشان می‌دهد مرزهای طراحی حافظه همچنان در حال جابه‌جایی است.

یک گام آزمایشگاهی به سوی نسل جدید تراشه‌ها

دستاورد دانشگاه فودان را می‌توان بخشی از تلاش گسترده‌تر دانشمندان برای حل یکی از چالش‌های اساسی عصر هوش مصنوعی دانست: چگونه می‌توان حجم فزاینده‌ای از اطلاعات را با انرژی کمتر و سرعت بیشتر ذخیره و جابه‌جا کرد؟

پاسخ این گروه، استفاده از یک الکترون برای ذخیره یک بیت اطلاعات است؛ رویکردی که در صورت توسعه بیشتر می‌تواند به حافظه‌هایی با چگالی بسیار بالا و مصرف انرژی بسیار پایین منجر شود.

البته فاصله میان یک موفقیت آزمایشگاهی و یک فناوری تجاری بسیار زیاد است. اما مشاهده ذخیره‌سازی پایدار یک الکترون منفرد در دمای اتاق و توسعه یک پنجره حافظه کوانتومی غیرفرار، نشان می‌دهد مسیر توسعه حافظه‌های نسل آینده می‌تواند بسیار متفاوت از معماری‌های رایج امروز باشد.

در نهایت، رقابت برای ساخت رایانه‌های قدرتمندتر فقط به پردازنده‌های سریع‌تر محدود نخواهد شد. هر کشوری که بتواند گلوگاه حافظه و انتقال داده را با مصرف انرژی کمتر حل کند، می‌تواند در شکل‌دهی به زیرساخت محاسباتی عصر هوش مصنوعی مزیت مهمی به دست آورد.

منبع: chinadaily