Nấm có thể trở thành chip nhớ cho máy tính thế hệ mới

Nấm hứa hẹn có thể trở thành trương lai của công nghệ chip lưu trữ máy tính.

Nhóm nghiên cứu từ Đại học Bang Ohio vừa công bố phát hiện khiến giới công nghệ bất ngờ. Họ chứng minh loại nấm ăn được quen thuộc trong bếp có thể được biến thành memristor hữu cơ. Đây là loại linh kiện điện tử có khả năng ghi nhớ các trạng thái điện trước đó, giống như cách não người lưu trữ thông tin.

John LaRocco, tác giả chính của nghiên cứu và nhà khoa học tại khoa Y Đại học Bang Ohio, giải thích rằng phát triển vi mạch bắt chước hoạt động thần kinh thực tế mang lại lợi thế lớn về mặt năng lượng. Những chip này tiêu thụ điện năng cực thấp khi máy tính ở chế độ chờ hoặc không sử dụng. Điều này tạo ra lợi thế tính toán và kinh tế to lớn mà các chip bán dẫn truyền thống khó đạt được.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí PLOS One cho thấy nấm không chỉ là nguồn thực phẩm bổ dưỡng. Cấu trúc sinh học độc đáo của chúng mang những đặc tính điện tử đặc biệt, phù hợp để xây dựng hệ thống tính toán thế hệ mới.

Thử nghiệm biến nấm thành bộ nhớ máy tính

Để kiểm tra khả năng của vật liệu mới này, các nhà nghiên cứu nuôi cấy hai loại nấm phổ biến là nấm hương và nấm nút. Sau khi nấm trưởng thành, họ làm khô để đảm bảo nấm có thể tồn tại lâu dài mà không bị hỏng. Bước tiếp theo là kết nối nấm với các mạch điện tử được thiết kế đặc biệt.

LaRocco mô tả quy trình thực nghiệm chi tiết. Nhóm nghiên cứu nối dây điện và đầu dò tại nhiều vị trí khác nhau trên thân nấm vì mỗi phần có tính chất dẫn điện riêng biệt. Họ sau đó cho dòng điện với điện áp và tần số khác nhau chạy qua nấm. Tùy theo cách điều chỉnh điện áp và cách kết nối, nấm thể hiện các mức hiệu suất khác nhau.

Kết quả sau hai tháng thử nghiệm vượt mong đợi. Khi được sử dụng làm RAM, bộ nhớ tạm thời lưu trữ dữ liệu trong máy tính, memristor nấm có thể chuyển đổi giữa các trạng thái điện với tốc độ 5.850 tín hiệu mỗi giây. Độ chính xác đạt khoảng 90%, một con số ấn tượng đối với vật liệu sinh học.

Tuy nhiên, hiệu suất giảm dần khi tần số điện áp tăng cao. Nhóm nghiên cứu tìm ra giải pháp bằng cách kết nối thêm nấm vào mạch, tương tự như cách các tế bào thần kinh trong não người làm việc cùng nhau để tăng hiệu quả xử lý thông tin.

Nghiên cứu được tiến hành tại Đại học Bang Ohio, Mỹ.

Chi phí thấp và thân thiện môi trường

LaRocco nhấn mạnh điện tử nấm không phải ý tưởng hoàn toàn mới, nhưng nghiên cứu này đưa công nghệ lên tầm cao mới. Lý do nấm trở thành ứng viên sáng giá cho tính toán bền vững nằm ở ba yếu tố chính.

Thứ nhất, nấm có thể phân hủy sinh học hoàn toàn. Điều này giải quyết bài toán rác thải điện tử đang ngày càng trầm trọng trên toàn cầu. Các chip bán dẫn truyền thống chứa nhiều kim loại nặng và hóa chất độc hại, khó xử lý sau khi hết tuổi thọ.

Thứ hai, chi phí sản xuất memristor nấm thấp hơn nhiều so với chip thông thường. Các nhà sản xuất chip hiện tại phải đầu tư hàng tỷ USD để xây dựng nhà máy, sử dụng khoáng chất đất hiếm đắt đỏ và tiêu tốn lượng năng lượng khổng lồ. Trong khi đó, nuôi cấy nấm chỉ cần môi trường đơn giản với chi phí thấp.

Thứ ba, quy trình chế tạo memristor nấm tiêu thụ năng lượng tối thiểu. Các trung tâm dữ liệu hiện nay đang trở thành nguồn tiêu thụ điện năng khổng lồ, chiếm gần 1% tổng lượng điện toàn cầu. Công nghệ nấm hứa hẹn giảm đáng kể nhu cầu năng lượng này.

Qudsia Tahmina, đồng tác giả và phó giáo sư kỹ thuật điện tại Đại học Bang Ohio, cho rằng xã hội đang ngày càng quan tâm đến bảo vệ môi trường cho thế hệ tương lai. Xu hướng này thúc đẩy các ý tưởng công nghệ thân thiện sinh học như memristor nấm phát triển mạnh mẽ.

Triển vọng ứng dụng rộng rãi

Tahmina nhận định sự linh hoạt của nấm mở ra nhiều khả năng mở rộng quy mô. Hệ thống nấm kích thước lớn có thể phục vụ điện toán biên, nơi dữ liệu được xử lý gần nguồn thu thập thay vì gửi về trung tâm xa. Công nghệ này cũng tiềm năng cho thám hiểm hàng không vũ trụ, nơi trọng lượng và nguồn năng lượng bị giới hạn nghiêm ngặt.

Hệ thống nấm kích thước nhỏ hơn sẽ hữu ích cho thiết bị tự động và thiết bị đeo. Ví dụ, đồng hồ thông minh hoặc kính thực tế ảo cần bộ xử lý tiêu thụ điện năng thấp để kéo dài thời gian sử dụng pin.

LaRocco nhấn mạnh công nghệ này đang trong tầm với của nhiều người. "Khởi đầu có thể đơn giản như một đống phân trộn nuôi nấm cùng thiết bị điện tử tự chế tại nhà. Hoặc quy mô lớn hơn là nhà máy nuôi cấy với khuôn mẫu sản xuất hàng loạt." Tất cả đều khả thi với nguồn lực hiện có.

Thách thức cần vượt qua

Memristor hữu cơ vẫn đang ở giai đoạn phát triển sơ khai. Nghiên cứu chứng minh khái niệm hoạt động, nhưng còn xa mới đưa vào sản xuất thương mại. Các nhà khoa học cần giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật trong thời gian tới.

Thách thức lớn nhất là thu nhỏ kích thước thiết bị. Memristor nấm trong thí nghiệm này còn quá lớn so với chip bán dẫn hiện đại. Một con chip máy tính thông thường chứa hàng tỷ bóng bán dẫn trong diện tích chỉ vài centimet vuông. Memristor nấm cần đạt mức độ thu nhỏ tương tự mới có thể cạnh tranh.

Vấn đề thứ hai là cải thiện kỹ thuật nuôi cấy. Sản xuất hàng loạt yêu cầu quy trình nuôi nấm đồng đều về chất lượng và đặc tính điện. Biến động trong môi trường nuôi cấy có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của memristor.

Độ bền lâu dài của thiết bị cũng cần kiểm chứng thêm. Nghiên cứu này theo dõi trong hai tháng, nhưng chip máy tính thương mại cần hoạt động ổn định trong nhiều năm.

Dù vậy, nghiên cứu này đã chứng minh nguyên lý cơ bản hoạt động tốt. Các nhà khoa học tin rằng với đầu tư phát triển thêm, memristor nấm có thể trở thành giải pháp thay thế khả thi cho công nghệ bán dẫn truyền thống trong một số ứng dụng cụ thể.

Theo tạp chí Điện tử và Ứng dụng