Изследователски екип от университета Фудан в Шанхай разработи новаторско двуизмерно едноелектронно устройство с квантова флаш памет, което може драстично да подобри скоростта и енергийната ефективност на бъдещите изчислителни системи.
Проучването, публикувано в списание Science на 17 юли, бележи важен крайъгълен камък в технологията на паметта. В сравнение със съществуващите технологии за памет като Dynamic Random Access Memory или DRAM и 3D NAND флаш памет, новото устройство съчетава три качества, които отдавна са трудни за постигане едновременно: висока скорост, ниска консумация на енергия и възможност за запазване на данни без захранване.
Изследователите казаха, че технологията може да помогне да се посрещнат нарастващите изчислителни изисквания на изкуствения общ интелект или AGI, който изисква много по-бързи и по-ефективни начини за обработка и съхраняване на огромни количества данни.
Чиповете с памет са ключов компонент на съвременните компютри, защото съхраняват и извличат данни, необходими за обработка. Въпреки това, скоростта, с която данните могат да бъдат достъпни, и количеството необходима енергия остават основни пречки пред подобряването на изчислителната производителност.
Всяка от днешните основни технологии за памет има силни и слаби страни. DRAM може да чете и записва данни много бързо, което го прави подходящ за високопроизводителни изчисления, но губи цялата съхранена информация, след като захранването бъде изключено. За разлика от това, 3D NAND флаш паметта може да съхранява данни в продължение на години без електричество, но е по-бавна при четене и запис на информация.
За да преодолеят тези ограничения, изследователи от Държавната ключова лаборатория за интегрирани чипове и системи на университета Фудан и Колежа по интегрални схеми и микро-нано електроника прекараха повече от десетилетие в разработването на нов тип памет.
Миналата година екипът представи своя прототип на PoX 2D флаш памет в списанието Nature през април и разкри първия в света пълнофункционален чип с 2D флаш памет, CY-01, в същото списание през октомври.
След като разработиха това, което описаха като най-бързата полупроводникова технология за съхранение на заряд до момента, изследователите се насочиха към още по-амбициозна цел: съхраняване на един бит информация, използвайки само един електрон.
Електроните са малки частици, които носят електрически заряд и формират основата на електронните устройства. На теория използването на един електрон за представяне на един бит информация би позволило възможно най-малката и най-енергийно ефективна памет.
Учените обаче отдавна вярват, че такава технология ще бъде изключително трудна за постигане, тъй като поведението на отделните електрони се управлява от квантовата механика и е трудно да се наблюдава при нормални условия.
Започвайки от основните принципи на квантовата механика, екипът на Фудан разработи нова квантова флаш технология, която позволява прецизно контролиране и съхраняване на един електрон. Като се възползват от свойствата на двуизмерните полупроводникови материали в атомен мащаб, изследователите проектират нова структура на устройството, която им позволява надеждно да манипулират отделни електрони.
За първи път екипът директно наблюдава стабилното, енергонезависимо съхранение на един електрон при стайна температура от 27 C. Преди това много изследователи вярваха, че такова квантово поведение може да се наблюдава само при изключително ниски температури.
Изследователите също така разработиха устройство с това, което те описват като най-големия прозорец на енергонезависима квантова памет в света. Устройството изисква само един електрон, за да произведе прозорец на паметта от 0,5 волта, демонстрирайки възможността за съхраняване на един бит информация с един електрон.
Пробивът сочи към потенциала за много по-плътни чипове с памет, които консумират много по-малко енергия, като същевременно осигуряват по-бърза производителност, което ги прави много подходящи за бъдещи системи с изкуствен интелект.
„Нашите изисквания за скорост на съхранение, капацитет, енергийна ефективност и стабилност достигнаха ново ниво в ерата на ИИ“, каза Лю Чунсен, първи автор и съответен автор на статията.
„Възможността да съхранявате един бит информация чрез промяна на състоянието на един електрон значително ще намали консумацията на енергия и ще проправи пътя за много по-голям капацитет за съхранение“, каза той.
Zhou Peng, друг съответен автор и един от водещите изследователи на проекта, каза, че днешната усъвършенствана DRAM технология обикновено изисква около 200 000 електрона, за да съхрани един бит информация.
За разлика от това, новото устройство на екипа използва само един електрон, за да съхранява същото количество данни, като същевременно поддържа енергонезависимо съхранение.
„Това значително подобрява ефективността на съхранението, като същевременно намалява консумацията на енергия и създава потенциал за много по-висока плътност на съхранение“, каза Джоу.
Лиу добави, че новата памет може също така да бъде интегрирана директно с процесори, позволявайки на данните да се движат много по-бързо между изчислителните устройства и устройствата за съхранение.
„Това значително би намалило закъсненията при трансфер на данни, би подобрило изчислителната ефективност и би помогнало за разширяване на AI приложенията в индустриите“, каза той.
По време на изследването екипът направи и ново научно откритие. За първи път изследователите прогнозираха и експериментално наблюдаваха неизвестен досега квантов ефект на паметта, при който квантово състояние може да бъде рязко контролирано чрез механизъм, който те описват като „ножица на плътността на състоянията“.
Според екипа, откритието предоставя нова теоретична основа за едноелектронна квантова памет и може да ускори проектирането и комерсиализацията на технологиите за квантово съхранение в бъдеще.