Cựu CEO Intel Pat Gelsinger đặt cược vào Nagare Labs để phá vỡ bức tường bộ nhớ

Lịch sử công nghệ bộ nhớ đầy rẫy những xác tàu của các công nghệ thất bại. Nhưng cựu CEO Intel Pat Gelsinger tin rằng một công nghệ bộ nhớ mới do các nhà nghiên cứu tại Georgia Tech phát triển bằng chất bán dẫn oxide có thể là ngoại lệ.

"Về cơ bản, chúng ta đã không có sự đổi mới lớn nào trong bộ nhớ suốt ba thập kỷ — SRAM, DRAM và Flash là những loại bộ nhớ duy nhất được triển khai rộng rãi", Gelsinger chia sẻ với The Register.

Z2RAM: Tham vọng phá vỡ bức tường bộ nhớ

Z2RAM của Nagare Labs nhằm thay đổi tình hình đó bằng cách mang lại một công nghệ bộ nhớ gần như nhanh như SRAM với mật độ gần với DRAM, đồng thời dễ sản xuất hơn cả HBM hay LPDDR.

Theo Gelsinger, nhóm nghiên cứu đang kết hợp những đặc tính tốt nhất của cả ba loại bộ nhớ:

"Họ đang kết hợp những đặc tính tốt nhất của DRAM, SRAM và flash vào một linh kiện mới — dày đặc như DRAM, nhanh như SRAM và có khả năng mở rộng như flash. Trong khi HBM có nhiều hạn chế về công suất, mật độ và băng thông ven bờ, thì sự kết hợp giữa mật độ và hiệu năng của nó hiện vẫn là tốt nhất. Đây chính là giá trị mà Z2RAM mang lại."

Điều này lý giải vì sao quỹ đầu tư Playground Global — nơi Gelsinger trở thành đối tác từ năm ngoái — đang tài trợ cho các nỗ lực phát triển của Nagare.

Nhanh như SRAM, dày đặc như DRAM

Nagare Labs được sáng lập bởi hai giáo sư, nhà nghiên cứu Suman Datta và Shimeng Yu của Học viện Công nghệ Georgia, là kết tinh của nhiều năm nghiên cứu các công nghệ bộ nhớ thế hệ mới như ferroelectrics và resistive RAM.

Công nghệ này được xây dựng trên chất bán dẫn oxide và được thiết kế để tích hợp trực tiếp lên logic tính toán bằng công nghệ liên kết lai 3D. Ở khía cạnh này, Z2RAM sẽ đảm nhận vai trò tương tự công nghệ xếp chồng SRAM 3D V-Cache của AMD.

• AMD dùng đóng gói tiên tiến để liên kết một khối SRAM 64MB phía trên hoặc dưới các chiplet CPU, giúp tăng gấp ba dung lượng SRAM.
• Z2RAM có ý tưởng tương tự nhưng hứa hẹn mật độ bit cao gấp 5 lần SRAM ngay ở phiên bản đầu tiên.

Nếu một khối SRAM 64MB hiện tại được thay bằng Z2RAM, cùng diện tích đó sẽ chứa được 320MB với băng thông tương đương SRAM.

Con số này nghe không lớn so với các bộ tăng tốc dùng HBM như Rubin của Nvidia (288GB) hay MI455X của AMD (432GB). Tuy nhiên, Z2RAM là bước cải tiến vượt bậc so với các bộ tăng tốc dựa trên SRAM như LPU của Groq.

Hiện tại, mỗi chip Groq 3 LPU của Nvidia chỉ có khoảng 500MB SRAM, buộc phải dùng tới hàng nghìn bộ tăng tốc để phục vụ các mô hình ngôn ngữ lớn. Với Z2RAM, số chip cần thiết có thể giảm 5 lần hoặc hơn.

"Với sự bùng nổ nhu cầu AI, chúng ta đã thấy nhu cầu phi thường về bộ nhớ, bởi AI là một khối lượng công việc bị giới hạn bởi bộ nhớ. Trong bối cảnh đó, có sự quan tâm đặc biệt và nguồn vốn sẵn có cho một bước đột phá giải quyết các thách thức về băng thông và dung lượng mà AI đang tạo ra", Gelsinger nói.

Không cần tụ điện

Nagare đạt được thành tích về mật độ và băng thông này nhờ các ô nhớ dựa trên transistor thay vì tụ điện.

"Về tốc độ, nó sẽ sánh ngang SRAM, nhưng về chức năng, nó giống DRAM hơn nhờ cơ chế lưu trữ. DRAM là một transistor, một tụ điện thụ động. Z2RAM thực chất là hai transistor, nhưng chúng tôi dùng điện dung cổng của transistor thứ hai để lưu trữ điện tích", đồng sáng lập Datta giải thích.

Vì điện tích được lưu trong transistor, việc đọc trở nên không phá hủy, giúp độ trễ tốt hơn DRAM. Với DRAM, khi đọc một ô nhớ, tụ điện bị xả cạn và phải ghi lại giá trị sau khi đọc xong.

Kiến trúc hoàn toàn bằng transistor không phải là trò độc đáo duy nhất của Z2RAM. Nagare đang theo đuổi một quy trình cho phép xếp chồng các ô nhớ theo chiều dọc — tương tự cách NAND được xây dựng theo lớp, về lý thuyết giúp Z2RAM rẻ hơn và dễ sản xuất hơn đáng kể so với HBM hay LPDDR.

Con đường còn dài phía trước

Sau vòng gọi vốn hạt giống đầu tiên, Nagare hiện có 5 triệu USD để phát triển tiếp công nghệ. Với ngành bán dẫn, đây không phải số tiền lớn, và chính Datta cũng thừa nhận công nghệ này còn rất non trẻ.

"Chúng tôi hiện chỉ có các nguyên mẫu trong phòng thí nghiệm", ông nói.

Công ty đang tìm kiếm đối tác xưởng đúc R&D để mở rộng sản xuất vượt ra khỏi phòng sạch của trường đại học. Mục tiêu là có mẫu chip Z2RAM hoạt động trong vòng 4 năm tới và xuất xưởng thương mại trong vòng một thập kỷ.

Nagare cũng sẵn sàng hợp tác trực tiếp với các nhà sản xuất chip để tích hợp Z2RAM vào thiết kế của họ, tương tự cách AMD hợp tác với TSMC cho các khối 3D V-Cache.

Tuy nhiên, công ty còn đối mặt với thách thức về tích hợp:

"Hiện chưa có tiêu chuẩn nào để tích hợp loại bộ nhớ mới này với bộ tăng tốc. Để khai thác lợi ích của bộ nhớ dung lượng cao, tốc độ cao này, chúng ta phải dùng liên kết 3D, và hiện tại chưa có tiêu chuẩn hóa cho việc đó", Yu cho biết.

Nếu không có tiêu chuẩn công nghiệp mở, Nagare có thể phải tự thiết kế giao diện — một nhiệm vụ không hề nhỏ.

Nỗi lo về độ tin cậy

Nagare đang làm việc với chất bán dẫn oxide, loại có ưu điểm về nhiệt độ và khả năng chống bức xạ, nhưng cũng dễ gặp khuyết tật nguyên tử.

"Chỉ cần hiệu ứng một electron hoặc vài electron cũng có thể khiến điện áp ngưỡng của transistor dịch đi một chút, và thế là đủ để làm hỏng ô nhớ đó", Datta giải thích.

Vì vậy, rất nhiều nỗ lực đang được dồn vào việc tối đa hóa độ tin cậy của các ô nhớ Z2RAM.

"Đã có rất nhiều startup bộ nhớ và họ đều không thành công. Bạn có thể có công nghệ bộ nhớ tuyệt vời nhất, nhưng bạn sẽ không bao giờ xâm nhập được vào hệ thống vì các tiêu chuẩn quá khắt khe."

Tuy nhiên, Datta tin rằng bối cảnh đã thay đổi. Động lực mới và sự xuất hiện của các giao thức mới đã mở ra cánh cửa để mạo hiểm hơn với bộ nhớ một lần nữa.

Góc nhìn cho thị trường Việt Nam

Câu chuyện của Nagare Labs phản ánh một xu hướng lớn: cuộc đua giải quyết nút thắt bộ nhớ trong kỷ nguyên AI đang thu hút cả những tên tuổi hàng đầu như Pat Gelsinger. Với các kỹ sư và startup công nghệ Việt Nam, đây là lời nhắc rằng đổi mới phần cứng luôn đi kèm rủi ro dài hạn — từ phòng thí nghiệm đến sản xuất hàng loạt có thể mất cả thập kỷ. Trong khi đó, nhu cầu về hạ tầng AI tại Việt Nam đang tăng nhanh, khiến các giải pháp bộ nhớ hiệu quả cao trở thành yếu tố then chốt cho các trung tâm dữ liệu và dịch vụ cloud trong nước.