จีนสร้างนวัตกรรมชิปยุคใหม่ สลับเปิด-ปิดได้เกินแสนล้านรอบ ประหยัดไฟ-ทนทานขึ้น
.
เมื่อวันที่ 14 ก.ย. ที่ผ่านมา สถาบันเซมิคอนดักเตอร์ สังกัดสถาบันบัณฑิตวิทยาศาสตร์จีน (Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences) เปิดเผยว่า นักวิจัยและหน่วยงานที่เกี่ยวข้องได้พัฒนา “Ferroelectric Tunnel” รูปแบบใหม่ โดยอาศัยการเลื่อนตัวเพียงเล็กน้อยของชั้นอะตอมในระดับอังสตรอม (angstrom) ซึ่งมีขนาดเล็กกว่า 1 นาโนเมตร ทำให้ค่าความต้านทานของสวิตช์แตกต่างกันได้ถึงประมาณ 19 ล้านเท่า และสามารถเปิด-ปิดซ้ำได้มากกว่า 1 แสนล้านครั้ง
.
Ferroelectric Tunnel คืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เปรียบเสมือนแซนด์วิชขนาดจิ๋ว โดยมีขั้วไฟฟ้าอยู่ด้านบนและด้านล่าง และมีวัสดุเฟอร์โรอิเล็กทริกที่บางมากคั่นอยู่ตรงกลาง วัสดุชนิดนี้เป็นฉนวน ซึ่งตามปกติอิเล็กตรอนไม่สามารถผ่านได้ แต่เมื่อชั้นวัสดุบางลงจนถึงระดับหนึ่ง อิเล็กตรอนจะสามารถทะลุผ่านได้ ซึ่งในทางฟิสิกส์เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า Quantum Tunneling
.
นวัตกรรมนี้จึงเป็นแนวทางใหม่ในการพัฒนาชิปหน่วยความจำและชิปประมวลผลรวมหน่วยความจำที่ประหยัดพลังงานและมีความทนทานมากขึ้น ผลการวิจัยได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิชาการนานาชาติ Science
.
จุดเด่นคือสารชนิดนี้สามารถพลิกทิศทางการจัดเรียงขั้วไฟฟ้า (Polarization Direction) ไปมาได้ เมื่อทิศทางเปลี่ยน ความสูงของ “กำแพง” ที่อิเล็กตรอนต้องผ่านก็จะเปลี่ยนตามไปด้วย หากกำแพงเตี้ย อิเล็กตรอนจะผ่านได้ง่าย กระแสไฟฟ้าจึงไหลได้มากและถูกกำหนดให้เป็นสถานะหนึ่ง ส่วนเมื่อกำแพงสูงขึ้น อิเล็กตรอนจะผ่านได้ยาก กระแสไฟฟ้าจึงไหลได้น้อยและถูกกำหนดให้เป็นอีกสถานะหนึ่ง ยิ่งค่าความต้านทานของทั้งสองสถานะแตกต่างกันมากเท่าใด ก็ยิ่งช่วยให้อ่านข้อมูลได้แม่นยำมากขึ้นเท่านั้น
.
ปัญหาที่สร้างความท้าทายให้วงการวิชาการมาอย่างยาวนานคือ การทำให้ค่าความต้านทานแตกต่างกันมากและสามารถรองรับการอ่านเขียนข้อมูลซ้ำๆ ได้อย่างทนทาน วัสดุเฟอร์โรอิเล็กทริกแบบดั้งเดิมมีพลังมาก ทำให้ค่าความต้านทานแตกต่างกันอย่างชัดเจน แต่เมื่อสลับสถานะซ้ำๆ ก็มีแนวโน้มเกิด “ความล้า” ส่งผลให้อายุการใช้งานจำกัด
.
ส่วนวัสดุเฟอร์โรอิเล็กทริกแบบสองมิติชนิดเลื่อนตัวได้ ซึ่งเป็นวัสดุรูปแบบใหม่ มีคุณสมบัติตรงกันข้าม โดยอาศัยการเคลื่อนตัวคลาดเลื่อนเพียงเล็กน้อยระหว่างชั้นอะตอมเพื่อเปลี่ยนสถานะ จึงแทบไม่เกิดการสึกหรอ และสามารถสลับสถานะซ้ำได้มากกว่า 1 แสนล้านครั้ง ทนทานกว่าวัสดุแบบดั้งเดิมอย่างมาก แต่พลังของวัสดุชนิดนี้ยังน้อยเกินไป การแยกขั้วของคลื่นจึงอ่อน ทำให้การเปลี่ยนแปลงของค่าความต้านทานไม่ชัดเจนและอ่านข้อมูลได้ยาก
.
ในการวิจัยครั้งนี้ ทีมนักวิจัยนำโดยอู๋เจียงปินและถานผิงเหิง จากสถาบันเซมิคอนดักเตอร์ สังกัดสถาบันบัณฑิตวิทยาศาสตร์จีน ได้ร่วมมือกับทีมของศาสตราจารย์หวังหาน จากมหาวิทยาลัยฮ่องกง โดยนำชั้นวัสดุที่มีหน้าที่สำคัญ 3 ชนิดมาใช้ในอุปกรณ์ ได้แก่ โบรอนไนไตรด์ (Boron Nitride) ซึ่งทำหน้าที่เสมือน “กำแพงบางที่เรียบเนียนสม่ำเสมอ” ช่วยลดกระแสไฟฟ้ารั่วและสร้างกำแพงศักย์สำหรับการอุโมงค์ที่มีเสถียรภาพ วัสดุเฟอร์โรอิเล็กทริกแบบสองมิติชนิดเลื่อนตัวได้ (2D Sliding Ferroelectric Material) ซึ่งเปรียบเสมือน “ประตู” ที่เลื่อนเปิดปิดได้ เมื่อชั้นอะตอมเคลื่อนตัวเพียงเล็กน้อย ก็สามารถควบคุมความสูงของกำแพงดังกล่าวได้
.
ส่วนกราฟีนชั้นเดียว (Single-layer Graphene) ทำหน้าที่เสมือน “ตัวรับสัญญาณที่ไวเป็นพิเศษ” สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงและปรับจำนวนอิเล็กตรอนที่ทะลุผ่านกำแพงได้ การทำงานประสานกันของวัสดุทั้งสามจึงก่อให้เกิดผลลัพธ์แบบ “ใช้แรงเพียงเล็กน้อย แต่ให้ผลลัพธ์มหาศาล” โดยเปลี่ยนการขยับตัวของขั้วไฟฟ้าเพียงแผ่วเบา ให้กลายเป็นความแตกต่างของค่าความต้านทานที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก
.
ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าภายใต้แรงดันไฟฟ้าอ่านข้อมูลที่ 0.5 โวลต์ อุปกรณ์ชนิดนี้มีอัตราส่วนการสลับค่าความต้านทานสูงถึง 1.9×10⁷ หรือประมาณ 19 ล้านเท่า เพิ่มขึ้นจากอุปกรณ์ประเภทเดียวกันที่มีการพัฒนาก่อนหน้านี้มากกว่า 4 ลำดับขั้น
.
นอกจากนี้ อุปกรณ์ยังรองรับการสลับสถานะได้มากกว่า 1 แสนล้านครั้ง มีความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าในสถานะเปิดสูงถึง 222 แอมแปร์ต่อตารางเซนติเมตร
.
ทีมนักวิจัยระบุว่าผลงานครั้งนี้สามารถรวมจุดเด่นทั้งการส่งสัญญาณอ่านข้อมูลที่ชัดเจน ความทนทานสูง ปริมาณกระแสไฟฟ้ามาก ความเร็วในการสลับสถานะ และการกินไฟต่ำ ทลายคอขวดสำคัญที่จำกัดศักยภาพของ Ferroelectric Tunnel มาอย่างยาวนาน
.
ในอนาคต หากพัฒนาโครงข่ายอาร์เรย์ขนาดใหญ่ (Large-scale Array) (การนำเซลล์อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดจิ๋วจำนวนมหาศาล มาจัดวางเรียงเป็นตารางหรือแถว เพื่อช่วยกันประมวลผลข้อมูลมหาศาลพร้อมกัน) และวงจรรองรับได้อย่างสมบูรณ์ อุปกรณ์รูปแบบนี้จะถูกนำไปต่อยอดสู่ชิปหน่วยความจำที่มีความจุหนาแน่นยิ่งขึ้น และชิปประมวลผลควบคู่หน่วยความจำที่กินไฟต่ำลง ช่วยให้อุปกรณ์อย่างสมาร์ตโฟนหรือคอมพิวเตอร์สามารถจัดการงานประมวลผลที่ซับซ้อนได้อย่างลื่นไหล แม้อยู่ภายใต้ข้อจำกัดของพลังงานแบตเตอรี่
.
.
📧 ติดต่อเรา Email: info@jeenthainews.com
.
#เทคโนโลยีจีน #ชิปจีน #เซมิคอนดักเตอร์
.
https://www.facebook.com/share/p/1EZudpnVo7/
💾 จีนสร้างนวัตกรรมชิปยุคใหม่ สลับเปิด-ปิดได้เกินแสนล้านรอบ ประหยัดไฟ-ทนทานขึ้น
.
เมื่อวันที่ 14 ก.ย. ที่ผ่านมา สถาบันเซมิคอนดักเตอร์ สังกัดสถาบันบัณฑิตวิทยาศาสตร์จีน (Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences) เปิดเผยว่า นักวิจัยและหน่วยงานที่เกี่ยวข้องได้พัฒนา “Ferroelectric Tunnel” รูปแบบใหม่ โดยอาศัยการเลื่อนตัวเพียงเล็กน้อยของชั้นอะตอมในระดับอังสตรอม (angstrom) ซึ่งมีขนาดเล็กกว่า 1 นาโนเมตร ทำให้ค่าความต้านทานของสวิตช์แตกต่างกันได้ถึงประมาณ 19 ล้านเท่า และสามารถเปิด-ปิดซ้ำได้มากกว่า 1 แสนล้านครั้ง
.
Ferroelectric Tunnel คืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เปรียบเสมือนแซนด์วิชขนาดจิ๋ว โดยมีขั้วไฟฟ้าอยู่ด้านบนและด้านล่าง และมีวัสดุเฟอร์โรอิเล็กทริกที่บางมากคั่นอยู่ตรงกลาง วัสดุชนิดนี้เป็นฉนวน ซึ่งตามปกติอิเล็กตรอนไม่สามารถผ่านได้ แต่เมื่อชั้นวัสดุบางลงจนถึงระดับหนึ่ง อิเล็กตรอนจะสามารถทะลุผ่านได้ ซึ่งในทางฟิสิกส์เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า Quantum Tunneling
.
นวัตกรรมนี้จึงเป็นแนวทางใหม่ในการพัฒนาชิปหน่วยความจำและชิปประมวลผลรวมหน่วยความจำที่ประหยัดพลังงานและมีความทนทานมากขึ้น ผลการวิจัยได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิชาการนานาชาติ Science
.
จุดเด่นคือสารชนิดนี้สามารถพลิกทิศทางการจัดเรียงขั้วไฟฟ้า (Polarization Direction) ไปมาได้ เมื่อทิศทางเปลี่ยน ความสูงของ “กำแพง” ที่อิเล็กตรอนต้องผ่านก็จะเปลี่ยนตามไปด้วย หากกำแพงเตี้ย อิเล็กตรอนจะผ่านได้ง่าย กระแสไฟฟ้าจึงไหลได้มากและถูกกำหนดให้เป็นสถานะหนึ่ง ส่วนเมื่อกำแพงสูงขึ้น อิเล็กตรอนจะผ่านได้ยาก กระแสไฟฟ้าจึงไหลได้น้อยและถูกกำหนดให้เป็นอีกสถานะหนึ่ง ยิ่งค่าความต้านทานของทั้งสองสถานะแตกต่างกันมากเท่าใด ก็ยิ่งช่วยให้อ่านข้อมูลได้แม่นยำมากขึ้นเท่านั้น
.
ปัญหาที่สร้างความท้าทายให้วงการวิชาการมาอย่างยาวนานคือ การทำให้ค่าความต้านทานแตกต่างกันมากและสามารถรองรับการอ่านเขียนข้อมูลซ้ำๆ ได้อย่างทนทาน วัสดุเฟอร์โรอิเล็กทริกแบบดั้งเดิมมีพลังมาก ทำให้ค่าความต้านทานแตกต่างกันอย่างชัดเจน แต่เมื่อสลับสถานะซ้ำๆ ก็มีแนวโน้มเกิด “ความล้า” ส่งผลให้อายุการใช้งานจำกัด
.
ส่วนวัสดุเฟอร์โรอิเล็กทริกแบบสองมิติชนิดเลื่อนตัวได้ ซึ่งเป็นวัสดุรูปแบบใหม่ มีคุณสมบัติตรงกันข้าม โดยอาศัยการเคลื่อนตัวคลาดเลื่อนเพียงเล็กน้อยระหว่างชั้นอะตอมเพื่อเปลี่ยนสถานะ จึงแทบไม่เกิดการสึกหรอ และสามารถสลับสถานะซ้ำได้มากกว่า 1 แสนล้านครั้ง ทนทานกว่าวัสดุแบบดั้งเดิมอย่างมาก แต่พลังของวัสดุชนิดนี้ยังน้อยเกินไป การแยกขั้วของคลื่นจึงอ่อน ทำให้การเปลี่ยนแปลงของค่าความต้านทานไม่ชัดเจนและอ่านข้อมูลได้ยาก
.
ในการวิจัยครั้งนี้ ทีมนักวิจัยนำโดยอู๋เจียงปินและถานผิงเหิง จากสถาบันเซมิคอนดักเตอร์ สังกัดสถาบันบัณฑิตวิทยาศาสตร์จีน ได้ร่วมมือกับทีมของศาสตราจารย์หวังหาน จากมหาวิทยาลัยฮ่องกง โดยนำชั้นวัสดุที่มีหน้าที่สำคัญ 3 ชนิดมาใช้ในอุปกรณ์ ได้แก่ โบรอนไนไตรด์ (Boron Nitride) ซึ่งทำหน้าที่เสมือน “กำแพงบางที่เรียบเนียนสม่ำเสมอ” ช่วยลดกระแสไฟฟ้ารั่วและสร้างกำแพงศักย์สำหรับการอุโมงค์ที่มีเสถียรภาพ วัสดุเฟอร์โรอิเล็กทริกแบบสองมิติชนิดเลื่อนตัวได้ (2D Sliding Ferroelectric Material) ซึ่งเปรียบเสมือน “ประตู” ที่เลื่อนเปิดปิดได้ เมื่อชั้นอะตอมเคลื่อนตัวเพียงเล็กน้อย ก็สามารถควบคุมความสูงของกำแพงดังกล่าวได้
.
ส่วนกราฟีนชั้นเดียว (Single-layer Graphene) ทำหน้าที่เสมือน “ตัวรับสัญญาณที่ไวเป็นพิเศษ” สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงและปรับจำนวนอิเล็กตรอนที่ทะลุผ่านกำแพงได้ การทำงานประสานกันของวัสดุทั้งสามจึงก่อให้เกิดผลลัพธ์แบบ “ใช้แรงเพียงเล็กน้อย แต่ให้ผลลัพธ์มหาศาล” โดยเปลี่ยนการขยับตัวของขั้วไฟฟ้าเพียงแผ่วเบา ให้กลายเป็นความแตกต่างของค่าความต้านทานที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก
.
ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าภายใต้แรงดันไฟฟ้าอ่านข้อมูลที่ 0.5 โวลต์ อุปกรณ์ชนิดนี้มีอัตราส่วนการสลับค่าความต้านทานสูงถึง 1.9×10⁷ หรือประมาณ 19 ล้านเท่า เพิ่มขึ้นจากอุปกรณ์ประเภทเดียวกันที่มีการพัฒนาก่อนหน้านี้มากกว่า 4 ลำดับขั้น
.
นอกจากนี้ อุปกรณ์ยังรองรับการสลับสถานะได้มากกว่า 1 แสนล้านครั้ง มีความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าในสถานะเปิดสูงถึง 222 แอมแปร์ต่อตารางเซนติเมตร
.
ทีมนักวิจัยระบุว่าผลงานครั้งนี้สามารถรวมจุดเด่นทั้งการส่งสัญญาณอ่านข้อมูลที่ชัดเจน ความทนทานสูง ปริมาณกระแสไฟฟ้ามาก ความเร็วในการสลับสถานะ และการกินไฟต่ำ ทลายคอขวดสำคัญที่จำกัดศักยภาพของ Ferroelectric Tunnel มาอย่างยาวนาน
.
ในอนาคต หากพัฒนาโครงข่ายอาร์เรย์ขนาดใหญ่ (Large-scale Array) (การนำเซลล์อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดจิ๋วจำนวนมหาศาล มาจัดวางเรียงเป็นตารางหรือแถว เพื่อช่วยกันประมวลผลข้อมูลมหาศาลพร้อมกัน) และวงจรรองรับได้อย่างสมบูรณ์ อุปกรณ์รูปแบบนี้จะถูกนำไปต่อยอดสู่ชิปหน่วยความจำที่มีความจุหนาแน่นยิ่งขึ้น และชิปประมวลผลควบคู่หน่วยความจำที่กินไฟต่ำลง ช่วยให้อุปกรณ์อย่างสมาร์ตโฟนหรือคอมพิวเตอร์สามารถจัดการงานประมวลผลที่ซับซ้อนได้อย่างลื่นไหล แม้อยู่ภายใต้ข้อจำกัดของพลังงานแบตเตอรี่
.
.
📧 ติดต่อเรา Email: info@jeenthainews.com
.
#เทคโนโลยีจีน #ชิปจีน #เซมิคอนดักเตอร์
.
https://www.facebook.com/share/p/1EZudpnVo7/