Nhóm nghiên cứu Nhật Bản đang phát triển một công nghệ giúp thiết bị lưu trữ có thể chứa dữ liệu trên 1.000 năm và có mật độ ghi tương đương với HDD (Hard Disk Drive - ổ đĩa cứng).
Công nghệ "lưu trữ vĩnh cửu":
Nhóm nghiên cứu, do Makoto Nagata và Noriyuki Miura dẫn đầu, đã công bố công nghệ "lưu trữ vĩnh cửu" tại Hội nghị Vi mạch Thể rắn Quốc tế (International Solid State Circuits Conference - ISSCC) 2017, mục thuyết trình số 15.8.
Với công nghệ mới này, dữ liệu được ghi dựa trên sự hiện diện của "chấm" nano kim loại (metal nanodot) tại điểm giao nhau của hàng word và hàng bit trong một phiến silic (silicon wafer). Điện dung giữa các hàng word và hàng bit thay đổi tùy thuộc vào sự hiện diện của chấm nano kim loại. Dựa trên sự khác biệt về điện dung, mức logic "0" hoặc "1" sẽ được gán. Khi có một chấm nano kim loại trên hàng word, giá trị là "1" và ngược lại (xem hình 1).
Do dữ liệu được ghi bằng cách sử dụng các chấm nano kim loại, công nghệ mới này có khả năng chống lại sự suy giảm tuổi thọ. Khi một phiến có dữ liệu được ghi (bằng chấm nano kim loại) được đóng kín bởi lớp cách điện, dữ liệu có thể được lưu trữ trong một thời gian dài. Nhóm nghiên cứu hy vọng rằng, sau khi đóng kín, điện sẽ được cung cấp không dây đến phiến silic này và dữ liệu cũng sẽ được đọc không dây.
Hình 1. Khi có một chấm nano kim loại trên hàng word, giá trị là "1" và ngược lại.
Nói cách khác, chấm nano kim loại được tạo trên hàng word là một "khoảng thông" mà nó đã được "rút ngắn", tức là không kết nối các hàng word và hàng bit, nhóm nghiên cứu nói. Do đó, dễ dàng để nhận ra cấu trúc đa lớp tương tự cách ghép nối của các thiết bị bán dẫn. Ngoài ra, quy trình bán dẫn có thể được áp dụng. Nhưng không giống như quy trình thông thường, có một quá trình sử dụng mặt nạ để "khắc" và rút ngắn các khoảng thông (xem hình 2).
Hình 2. Quy trình bán dẫn có thể được áp dụng. Nhưng không giống như quy trình thông thường, có một quá trình sử dụng mặt nạ để "khắc" và rút ngắn các khoảng thông (5).
Phát triển phương pháp mới để ghi dữ liệu:
Theo nhóm nghiên cứu, đọc dữ liệu bằng công nghệ mới rất dễ dàng bởi vì cảm biến điện dung tương hỗ (mutual capacitance sensor), giống như cảm biến được dùng trong cảm biến cảm ứng, có thể được sử dụng để đọc dữ liệu (xem hình 3). Tuy nhiên, ghi dữ liệu đòi hỏi một số kỹ thuật.
Hình 3. Cảm biến điện dung tương hỗ, giống như cảm biến được dùng trong cảm biến cảm ứng, có thể được sử dụng để đọc dữ liệu.
Điện dung riêng của một hàng bit thay đổi tùy thuộc vào sự hiện diện và số lượng của các chấm nano kim loại. Do đó, dữ liệu được ghi (chấm nano kim loại đã được tạo) sau khi mã hóa dữ liệu để cân bằng sự hiện diện của chấm nano kim loại ("0" và "1").
Tuy nhiên, nếu chỉ đơn giản là cân bằng, tỷ lệ mã hóa sẽ trở nên thấp. Ví dụ, 4 bit dữ liệu được mã hóa với tỷ lệ mã hóa khoảng 38%. Nhóm nghiên cứu đã cải thiện tỷ lệ mã hóa lên khoảng 88% bằng một phương pháp mã hoá khác, thực hiện cân bằng bằng cách sử dụng các hàng giả (một hàng giả được đặt ở mỗi bên của một hàng word để ghi dữ liệu) (xem hình 4).
Hình 4. Điện dung riêng của một hàng bit thay đổi tùy thuộc vào sự hiện diện và số lượng của các chấm nano kim loại. Do đó, dữ liệu được ghi (chấm nano kim loại đã được tạo) sau khi mã hóa dữ liệu để cân bằng sự hiện diện của chấm nano kim loại ("0" và "1").
Mật độ diện tích tiềm năng tương đương với HDD:
Để kiểm chứng công nghệ mới, nhóm nghiên cứu đã tạo một chip thử nghiệm với 4 lớp ghi, bằng cách sử dụng công nghệ CMOS 180nm (xem hình 5).
Hình 5. Chip thử nghiệm (được chế tạo theo công nghệ CMOS 180nm).
Mật độ diện tích tương đương với 10 Gbit/inch2 (gigabit trên một inch vuông). Mật độ này có thể được cải thiện nếu áp dụng công nghệ xử lý tiên tiến hơn (xem hình 6).
Thí dụ, nếu công nghệ 14nm được sử dụng để tăng số lớp ghi lên 7, khi đó mật độ sẽ cao hơn 1 Tbit/inch2 (terabit trên một inch vuông) theo lý thuyết, tương đương với mật độ của các HDD hiện tại. Nếu sử dụng công nghệ 28nm để tăng số lớp ghi lên 6, mật độ ghi sẽ là 0,4 Tbit/inch2.
Hình 6. Mật độ diện tích có thể được cải thiện nếu áp dụng công nghệ xử lý tiên tiến hơn.
Tốc độ đọc của chip thử nghiệm là 40 kbps (kilobit trên giây). Tốc độ này có thể được cải tiến hơn nữa, theo nhóm nghiên cứu.
Khi khả năng duy trì dữ liệu dài hạn của chip thử nghiệm được đo bằng một thử nghiệm gia tốc*, kết quả cho thấy dữ liệu có thể được đọc thậm chí sau 1.000 năm (xem hình 7).
Hình 7. Khi khả năng duy trì dữ liệu dài hạn của chip thử nghiệm được đo bằng một thử nghiệm gia tốc, kết quả cho thấy dữ liệu có thể được đọc thậm chí sau 1.000 năm.
* Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm bằng cách sử dụng một nồi áp suất và gia tăng áp lực, cho phép một giờ trong phòng thử nghiệm tượng trưng cho một năm tuổi thọ của thiết bị. Sau 1.000 giờ, chip thử nghiệm vẫn hoạt động tốt.