Nhóm nghiên cứu tại Đại học Cambridge vừa công bố một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực phần cứng trí tuệ nhân tạo (AI) khi chế tạo thành công memristor hiệu năng cao sử dụng vật liệu oxit hafni (hafnium oxide).

Memristor là một loại linh kiện điện tử tiêu thụ năng lượng rất thấp, có khả năng mô phỏng cách các tế bào thần kinh trong não người kết nối và xử lý thông tin. Nhờ đó, công nghệ này có thể giúp giảm tới 70% mức tiêu thụ điện năng của các hệ thống AI – một trong những thách thức lớn nhất hiện nay.

Theo ông Babak Bakhit, tác giả chính của nghiên cứu, phần lớn năng lượng trong các chip hiện tại bị tiêu hao cho việc truyền dữ liệu giữa bộ nhớ và bộ xử lý. Quá trình này không chỉ tốn điện mà còn sinh nhiệt lớn, làm giảm hiệu suất tổng thể.

Khác với kiến trúc truyền thống, memristor mới cho phép xử lý và lưu trữ dữ liệu ngay trên cùng một linh kiện – tương tự cách não người hoạt động tại các khớp thần kinh. Điều này giúp giảm đáng kể nhu cầu truyền dữ liệu qua lại, từ đó tiết kiệm năng lượng.

Công nghệ mới sử dụng một lớp màng mỏng oxit hafni để tạo ra cơ chế chuyển mạch ổn định hơn so với các memristor trước đây. Thay vì phụ thuộc vào các "sợi dẫn điện" dễ biến đổi, thiết bị chuyển đổi trạng thái trực tiếp tại bề mặt tiếp xúc, mang lại độ đồng nhất cao qua nhiều chu kỳ hoạt động.

Ngoài ra, việc bổ sung các nguyên tố như stronti và titan giúp hình thành các tiếp giáp p-n bên trong, đóng vai trò như những "cổng điện tử" kiểm soát dòng điện chính xác. Nhờ đó, thiết bị đạt độ ổn định cao – yếu tố quan trọng để ứng dụng trong các hệ thống AI quy mô lớn.

Một điểm đáng chú ý là memristor mới có thể giảm dòng điện chuyển mạch xuống mức thấp hơn tới một triệu lần so với công nghệ cũ. Đồng thời, thiết bị hỗ trợ hàng trăm mức dòng điện ổn định, cho phép thực hiện các phép tính ngay trong bộ nhớ – nền tảng quan trọng cho AI thế hệ mới.

Trong thử nghiệm, thiết bị hoạt động ổn định qua hàng chục nghìn chu kỳ và có thể lưu trữ dữ liệu trong khoảng một ngày. Đặc biệt, nó còn tái hiện được cơ chế "tính dẻo thần kinh" – khả năng điều chỉnh kết nối dựa trên thời điểm tín hiệu, tương tự như não người học hỏi và thích nghi.

Tuy nhiên, công nghệ này vẫn đối mặt với một thách thức lớn: quy trình chế tạo hiện yêu cầu nhiệt độ lên tới 700°C, cao hơn nhiều so với tiêu chuẩn sản xuất chip hiện nay. Đây là rào cản khiến việc thương mại hóa chưa thể thực hiện ngay.

Nhóm nghiên cứu đang tiếp tục tìm cách giảm nhiệt độ sản xuất để phù hợp với dây chuyền công nghiệp. Nếu thành công, memristor thế hệ mới có thể trở thành bước ngoặt trong phát triển phần cứng AI – vừa tiết kiệm năng lượng, vừa nâng cao khả năng xử lý và học hỏi của máy móc.