Китайские учёные создали память способную хранить данные с помощью одного электрона

Учёные из Университета Фудань в Шанхае разработали двумерную флеш-память, способную хранить данные при комнатной температуре с использованием всего одного электрона. Технология может значительно снизить энергозатраты на обработку информации и в будущем позволит запускать сложные модели искусственного интеллекта непосредственно на смартфонах.

Современные наиболее совершенные устройства оперативной памяти должны решать сразу две задачи. Они должны хранить двоичные данные и одновременно не допускать их постепенного исчезновения в виде шумов.

Для этого существующие чипы используют огромное количество электронов. Согласно оценкам, для надёжного хранения одного бита информации требуется около 200 000 электронов. Если энергозатраты на хранение данных удастся значительно снизить, гораздо больше вычислений можно будет выполнять непосредственно на устройствах пользователей, не передавая все задачи в крупные центры обработки данных.

Идея хранения информации с помощью отдельных электронов существует уже достаточно давно. Однако многочисленные попытки реализовать её на практике долгое время не приводили к полноценному успеху.

Графен помог усилить сигнал одного электрона

Поскольку устройства хранения данных фактически представляют собой огромные «резервуары» электронов, обнаружение одного электрона можно сравнить с попыткой заметить рябь от единственной капли воды в огромном водоёме.

Команда учёных под руководством профессора микроэлектроники Чжоу Пэна решила эту проблему, создав двумерный флеш-чип на основе сверхтонкого материала графена.

Исследователи изменили конструкцию «стенок резервуара» таким образом, чтобы электроны не могли покидать систему, а сигнал от одного электрона усиливался и становился значительно легче для обнаружения.

В ходе экспериментов учёные обнаружили, что сигнал одного электрона в новой системе достигал примерно 0,5 вольта. Для сравнения, в других экспериментальных системах обычно фиксировались сигналы величиной всего в десятки милливольт.

Свою технологию команда назвала Guiyi, что можно перевести как «возвращение к единому». Вдохновением для названия стала китайская буддийская фраза, согласно которой даже крошечное семя горчицы способно вместить гору Сумеру, а все великие истины в конечном счёте сходятся в едином целом.

Однако технология Guiyi позволяет не только хранить данные с помощью одного электрона. Она также помогла подтвердить квантование напряжения программирования и самограничивающееся программирование — квантовые эффекты, которые потенциально можно использовать для точного считывания и записи определённых квантовых состояний.

Это может позволить хранить больше информации на одном чипе, чем при использовании традиционной схемы, основанной исключительно на двоичной логике.

Новая память может приблизить запуск ИИ на смартфонах

Поскольку разработка потенциально способна изменить способы хранения и обработки двоичных данных, следующим важным этапом станет её коммерциализация.

Чжоу Пэн планирует создать компанию уже в этом году и вывести технологию на рынок в течение следующих пяти лет. Для этого разработке сначала предстоит пройти этап масштабирования и перейти к массовому производству.

После этого технология может начать конкурировать с существующими подходами к хранению данных и существенно изменить индустрию памяти.

Разработка на основе одного электрона стала не единственным достижением команды Чжоу Пэна. В апреле прошлого года исследователи представили PoX, которую назвали самой быстрой энергонезависимой памятью в мире. Через шесть месяцев они разработали Changying — архитектуру интеграции атомарных компонентов.

Changying позволила интегрировать PoX с аппаратным обеспечением на основе кремния, создав первый двумерный гибридный флеш-чип на основе 2D-материалов и кремниевой электроники.

По мнению исследователей, подобные разработки могут помочь создать вычислительную инфраструктуру будущего, в которой сложные модели искусственного интеллекта будут запускаться непосредственно на смартфонах и других компактных устройствах при минимальном энергопотреблении.