Kích thước và các giới hạn về tốc độ hiện nay của bộ vi xử lý và bộ nhớ máy tính có thể được khắc phục bằng cách thay thế silic bằng ‘vật liệu chuyển đổi pha’ (phase-change material-PCM). Vật liệu này có khả năng chuyển đổi giữa hai pha cấu trúc với các trạng thái điện khác nhau - trạng thái tinh thể và dẫn điện và trạng thái khác là thủy tinh và cách điện - trong một phần tỷ của một giây.

Lập mô hình và các thử nghiệm thiết bị dựa trên PCM cho thấy các hoạt động xử lý logic có thể được thực hiện trong các tế bào nhớ không bay hơi sử dụng những kết hợp đặc biệt các xung điện áp cực ngắn, vốn không thể với các thiết bị dựa trên silic.

Trong thiết bị mới này, các hoạt động logic và bộ nhớ được đặt cùng một vị trí chứ không tách rời như trong máy tính dựa vào silic. Những vật liệu này có thể cho phép tốc độ xử lý nhanh hơn từ 500 đến 1.000 lần so với các máy tính xách tay trung bình hiện nay, trong khi tiêu thụ ít năng lượng hơn.

Các nhà nghiên cứu đến từ Đại học Cambridge, Viện Lưu trữ dữ liệu A*STAR Singapo và Đại học Công nghệ và thiết kế Singapo sử dụng một loại PCM dựa trên kính chalcogen, có thể được nấu chảy và tái kết tinh trong thời gian nửa nano giây (một phần tỉ của một giây) bằng các xung điện áp thích hợp để chế tạo các bộ vi xử lý này.

Các tính toán được thực hiện trong hầu hết các máy tính, điện thoại di động và máy tính bảng là do các thiết bị logic dựa vào silic thực hiện. Bộ nhớ bán dẫn được sử dụng để lưu trữ các kết quả tính toán như vậy cũng dựa vào silic. “Tuy nhiên, do nhu cầu đối với các máy tính nhanh hơn tiếp tục tăng, chúng ta đang tiếp cận nhanh chóng đến các giới hạn khả năng của silic”, Giáo sư Stephen Elliott ở Khoa Hóa học, Đại học Cambridge, người đứng đầu nghiên cứu, cho biết.

Phương pháp chủ yếu để tăng công suất máy tính trước đây là tăng số lượng các thiết bị logic có trong máy tính bằng cách tiếp tục giảm kích thước của thiết bị, nhưng các giới hạn vật lý cho các cấu ​​trúc thiết bị hiện cho thấy phương pháp này nhanh chóng trở thành gần như không thể tiếp tục.

Hiện nay, các thiết bị logic và bộ nhớ nhỏ nhất dựa trên silic có kích thước khoảng 20 nanomet - mỏng hơn sợi tóc khoảng 4000 lần - và được chế tạo theo các lớp. Khi các thiết bị được chế tạo ngày càng nhỏ hơn để tăng số lượng thiết bị trên một chip, cuối cùng những khoảng trống giữa các lớp sẽ trở nên quá nhỏ, do đó các điện tử được trữ ở một số vùng của các thiết bị bộ nhớ flash không bay hơi sẽ thoát ra khỏi thiết bị, dẫn đến mất dữ liệu. Các thiết bị PCM có thể khắc phục được hạn chế về thu nhỏ kích thước vì chúng đã được chứng minh vẫn hoạt động được ở mức khoảng 2 nanomet.

Một cách khác để tăng tốc độ xử lý mà không làm tăng số lượng các thiết bị logic là tăng số lượng các tính toán mà mỗi thiết bị có thể thực hiện. Mặc dù điều này là không thể với silic, nhưng các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng thiết bị logic/bộ nhớ PCM có thể thực hiện được nhiều tính toán.

Lần đầu tiên được phát triển vào những năm 1960, ban đầu PCM được sử dụng trong các thiết bị bộ nhớ quang học, như DVD ghi lại được. Hiện nay, PCM đang bắt đầu được sử dụng cho các ứng dụng bộ nhớ điện tử và bắt đầu thay thế bộ nhớ flash dựa vào silic trong một số loại điện thoại thông minh.

Các thiết bị PCM gần đây được chứng minh thực hiện logic trong bộ nhớ có các hạn chế như hiện chúng không thực hiện được các tính toán ở tốc độ tương tự như tốc độ của silic và chúng bộc lộ sự thiếu ổn định trong pha khởi động vô định hình.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu Cambridge và Singapo cho thấy, bằng cách thực hiện quy trình hoạt động logic ngược lại - bắt đầu từ pha tinh thể và sau đó làm tan chảy PCM trong các tế bào để thực hiện các hoạt động logic - vật liệu vừa ổn định hơn vừa có khả năng thực hiện các tính toán nhanh hơn.

Việc chuyển đổi nội tại, hay kết tinh, tốc độ của PCM hiện tại là khoảng 10 nano giây, làm cho chúng thích hợp để thay thế bộ nhớ flash. Bằng cách tăng tốc độ hơn nữa, dưới 1 nano giây (như các nhà nghiên cứu Cambridge và Singapo đã chứng minh vào năm 2012), một ngày nào đó chúng có thể thay thế bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động (DRAM) của máy tính cần được tiếp tục làm mới bằng một thay thế PCM không bay hơi.

Trong một hệ thống dựa vào silic, thông tin được di chuyển xung quanh, dẫn tới sự tốn kém cả thời gian và năng lượng. “Điều lý tưởng nhất là chúng tôi muốn thông tin vừa được tạo ra vừa được lưu trữ tại cùng một vị trí”, Tiến sĩ Desmond Loke thuộc Đại học Công nghệ và thiết kế Singapo, tác giả chính của bài báo, cho biết. “Với silic, thông tin được tạo ra, đi qua và phải được lưu trữ ở một nơi khác. Nhưng sử dụng các thiết bị logic PCM, thông tin vẫn tồn tại ở nơi nó được tạo ra”.

“Cuối cùng, những gì chúng tôi thực sự muốn làm là thay thế cả DRAM và các bộ vi xử lý logic trong máy tính bằng các thiết bị không bay hơi mới dựa trên PCM”, Giáo sư Elliott cho biết. “Nhưng để làm được điều này, chúng ta cần có tốc độ chuyển đổi gần một nano giây”. Hiện nay, việc làm mới DRAM làm rò rỉ một lượng lớn năng lượng trên toàn cầu, do đó rất tốn kém, cả về khía cạnh tài chính lẫn môi trường. Thời gian chuyển đổi PCM nhanh hơn sẽ làm giảm điều này, dẫn tới máy tính không chỉ nhanh hơn, mà còn “xanh hơn”.