Ученые из университета Фудань в Шанхае разработали двумерную флеш-память, которая хранит данные при комнатной температуре, используя всего один электрон.

Технология способна кардинально сократить энергозатраты на обработку информации и в будущем даст возможность запускать сложные модели искусственного интеллекта непосредственно на смартфонах.

Современные чипы памяти вынуждены решать две противоположные задачи: надежно удерживать двоичные данные и одновременно предотвращать их постепенное исчезновение из-за шумов. Для этого производителям приходится задействовать огромное количество электронов — по оценкам, на один бит уходит порядка 200 тысяч частиц. Если этот показатель удастся снизить, значительная часть вычислений сможет выполняться локально, без передачи данных в дата-центры. 

Фото: ТУТ НЬЮС / мобильный телефон. Автор Виталий Кистерный 

Как графен помог усилить сигнал одного электрона

Идея хранить информацию с помощью отдельных электронов витает в научной среде давно, но реализовать её на практике не удавалось. Проблема в том, что устройства памяти — это гигантские «резервуары» электронов, и обнаружить рябь от одной частицы так же сложно, как заметить каплю воды в огромном водоеме.

Группа профессора микроэлектроники Чжоу Пэна решила эту задачу, создав двумерный флеш-чип на основе сверхтонкого графена. Инженеры изменили конструкцию «стенок резервуара» так, чтобы электроны не могли покинуть систему, а сигнал от одной частицы усиливался до уровня, пригодного для детектирования.

В ходе экспериментов выяснилось: сигнал от одного электрона в новой системе достигает примерно 0,5 вольта. Для сравнения, в других экспериментальных образцах обычно фиксировали сигналы величиной всего в десятки милливольт.

Свою технологию команда назвала Guiyi — что переводится как «возвращение к единому». Вдохновением послужила китайская буддийская фраза: даже крошечное семя горчицы способно вместить гору Сумеру, а все великие истины в конечном счете сходятся в едином целом.

Guiyi позволяет не только хранить данные с помощью одного электрона. Разработка также подтвердила квантование напряжения программирования и самограничивающееся программирование — квантовые эффекты, которые потенциально можно использовать для точного считывания и записи определенных квантовых состояний. Это открывает путь к хранению большего объема информации на одном чипе, чем при использовании традиционной двоичной логики.

Пятилетний план: от лаборатории к смартфонам

Поскольку технология способна изменить способы хранения и обработки двоичных данных, следующим этапом становится коммерциализация. Чжоу Пэн намерен создать компанию уже в этом году и вывести разработку на рынок в течение пяти лет. Сначала предстоит этап масштабирования и переход к массовому производству.

Если это удастся, новая память сможет конкурировать с существующими подходами и существенно изменить индустрию.

Guiyi — не единственное достижение группы Чжоу Пэна. В апреле прошлого года исследователи представили PoX, названную самой быстрой энергонезависимой памятью в мире. Через шесть месяцев они разработали Changying — архитектуру интеграции атомарных компонентов, которая позволила объединить PoX с кремниевым аппаратным обеспечением и создать первый двумерный гибридный флеш-чип на основе 2D-материалов и кремниевой электроники.

Как полагают сами ученые, подобные разработки могут лечь в основу вычислительной инфраструктуры будущего, где сложные модели искусственного интеллекта будут работать прямо на смартфонах и других компактных устройствах при минимальном энергопотреблении.