Bộ nhớ Flash có độ bền 100 triệu lần ghi xóa

Một chút nhiệt giúp độ bền của flash vượt qua giới hạn 10 ngàn lần ghi xóa

Hình minh họa: Brandon Palacio

Trong thế giới chip bộ nhớ, flash là vua. Nhưng nó không hoàn hảo. Nó sẽ dễ hư hỏng sau khi được xóa và ghi khoảng 10 ngàn lần. Việc này thì không sao với thiết bị lưu trữ giao tiếp USB (thường được gọi ngắn gọn là USB) mà ta thường hay đánh mất chỉ trong vòng  một năm, nhưng sẽ không lý tưởng cho các ổ cứng thể rắn (solid-state drive) trong các trạm máy chủ. Đây cũng chính  là vấn đề làm cho các nhà sản xuất máy tính không sử dụng flash để thay thế các loại bộ nhớ khác. Trong tháng này [tháng 12/2012 – người dịch], tại IEEE International Electron Devices Meeting 2012, các kỹ sư ở Macronix lên kế hoạch báo cáo một phát minh về một loại bộ nhớ NAND flash tự hồi phục (self-healing) và có khả năng tồn tại hơn 100 triệu chu kỳ ghi và xóa.

Hơn nữa, số lượng chu kỳ ghi xóa này chưa phải là giới hạn cuối cùng. “Chúng tôi chưa biết rốt cuộc thì điều gì sẽ gây ra sự hỏng hóc của thiết bị, vì chúng tôi chưa thấy các dấu hiệu về hạn sử dụng (end-of-life)”, lời của Hang-Ting Lue, Phó Giám Đốc dự án ở Macronix, Tân Trúc (Hsinchu), Đài Loan. Để kiểm tra độ bền lên tới một tỉ lần ghi xóa thì cần vài tháng, ông nói.

Chìa khóa để kéo thật dài độ bền của flash nằm ở việc vay mượn vài thủ thuật từ một công nghệ triển vọng về bộ nhớ được cho là sẽ đẩy bộ nhớ flash hiện nay vào dĩ vãng.

Tế bào nhớ flash trông giống như transistor CMOS thông thường: các cực nguồn (source) và cực máng (drain) với kênh dẫn bằng silicon giữa chúng, một lớp cách điện ở trên kênh dẫn, và cực cổng (gate) ở trên đó. Điểm khác biệt chính là lớp vật liệu gọi là cổng thả nổi (floating gate), được chèn vào giữa lớp cách điện ở cực cổng của transistor. Giá trị bit được lưu trong lớp thả nổi khi các electron được dẫn xuyên qua (tunnel) lớp cách điện và mắt kẹt ở cổng thả nổi. Còn xóa bit là dẫn các electron ra khỏi cổng thả nổi.

Nhưng các chu kỳ ghi và xóa này làm giảm chất lượng của lớp cách điện, và cuối cùng, tế bào nhớ sẽ hỏng. Để bổ chính hạn chế này trong các ổ cứng thể rắn, các kỹ sư thiết kế phải có phương án chi tiết để đảm bảo rằng không có trình trạng một nhóm bit nào đó bị ghi đè quá thường xuyên. Việc gia nhiệt (anneal) sẽ sữa chữa các hư hỏng, nhưng chỉ có thể thực hiện bằng cách làm nóng toàn bộ chip trong hàng giờ liền ở 250 °C.

Dòng điện chạy qua cực cổng của các tế bào nhớ tạo ra nhiệt và làm hồi phục các lớp oxide. (Hình minh họa: Emily Cooper)

Các kỹ sư ở Macronix đã tìm ra một giải pháp từ một công nghệ cạnh tranh, PCRAM (Phase Change RAM). Trong PCRAM, một bit được lưu trong một vật liệu được gọi là  chalcogenide glass. Là dạng vật liệu có thể thay đổi trạng thái dẫn điện và cách điện khi được gia nhiệt theo một phương pháp đặc biệt. Theo Lue, các nhà nghiên cứu ở Macronix đã nhận ra là khi gia nhiệt vật liệu chacogenide glass này ở điểm nóng chảy thì có hiện tượng hồi phục trên PCRAM. (Kết quả này đã được báo cáo tại IEEE International Reliability Physics Symposium,  tháng Tư 2012).

Các kỹ sư của Macronix nhận  ra một giải pháp thông minh tương tự cũng có thể ứng dụng cho flash, nên họ đã thiết kế lại chip bộ nhớ flash với một bộ tạo nhiệt nhỏ trên chip để có thể gia nhiệt cho một nhóm các tế bào nhớ. Bản thiết kế lại này cần một vài thay đổi. Thay đổi lớn nhất, Lue nói, là sửa đổi cực cổng để nó có thể dẫn dòng nhằm nung nóng các tế bào nhớ. Sửa đổi này, bao gồm cả việc thêm các con diode, làm tăng diện tích của các tế bào nhớ dẫn đến nhóm Macronix phải đề xuất một kiến trúc mới cho mảng tế bào nhớ để có thể đưa tất cả thành phần vào trong một chip, Lue nói thêm.

Cấu trúc mới này cho phép dòng điện có thể chạy qua cực cổng của transistor để tạo ra các xung nhiệt dài một vài mili giây. Các nhà nghiên cứu thấy rằng nhiệt độ vượt qua 800 °C nhưng phạm vi làm nóng chỉ giới hạn ở vùng gần cực cổng. Các chip có thể tự sữa chữa bằng cách tự gia nhiệt trên board này đến mức mà sau hơn một trăm triệu lần ghi xóa mà dữ liệu vẫn được lưu giữ tốt, các nhà nghiên cứu cho biết.

Bạn có thể nghĩ rằng việc gia nhiệt có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ của pin. Việc “làm tươi” thường yêu cầu một lượng đáng kể năng lượng, Lue thừa nhận, nhưng việc gia nhiệt có thể được thực hiện không thường xuyên và mỗi phân vùng một lần, trong khi thiết bị không hoạt động (inactive) nhưng vẫn nối với nguồn. “Nó sẽ không thất thoát pin điện thoại của bạn,” Lue nói.

Thí nghiệm về bộ nhớ còn cho thấy một ngạc nhiên khác: Sự gia nhiệt còn làm chế độ xóa diễn ra nhanh hơn, khi mà trước đó tốc độ xóa thường được cho là độc lập với nhiệt độ. “Xa hơn nữa, việc này có thể phát triển thành chế độ “hỗ trợ nhiệt” để giúp cải thiện hai hiệu năng là xóa nhanh hơn và tăng độ bền của bộ nhớ flash”, Lue nói. Khả năng xóa nhanh hơn có thể giúp flash thay thế RAM động, là loại bộ nhớ bay hơi nhưng rất nhanh, nhưng vẫn còn rất nhiều việc phải làm. “Bộ nhớ flash không phải là bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên, và kiến trúc thì hoàn toàn khác nhau,” anh ta nói.

Lue nói rằng Macronix có ý định thương mại hóa bộ nhớ tự hồi phục này, nhưng không nói rõ như thế nào và khi nào. Lue thẳng thắn hơn khi nói về thời điểm mà ngành công nghiệp flash lẽ ra đã phải hoạt động trên công nghệ này. “Việc chuyển sang một môi trường hoạt động hoàn toàn khác biệt, như nhiệt độ cao trong một thời gian ngắn, hẳn là một bước đi đầy sáng tạo”, Lue nói. “Vậy mà sau đó, chúng tôi nhận ra rằng chẳng có nguyên tắc vật lý mới nào được phát minh ở đây cả và chúng ta đã có thể hoàn thành việc này từ mười năm trước.”

• Nguyên bản tiếng Anh: “Flash Memory Survives 100 Million Cycles”, Yu-Tzu Chiu, IEEE Spectrum Magazine,  December 2012.
• Người dịch: Hồ Quang Tây
• Biên tập: Tạ Minh Chiến