นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยปักกิ่งสร้างปรากฏการณ์ที่อาจเปลี่ยนโฉมหน้าอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์โลก ด้วยการพัฒนาทรานซิสเตอร์ 2 มิติที่อ้างว่าทำงานเร็วกว่า ชิป ล่าสุดของยักษ์ใหญ่อย่าง Intel และ TSMC ถึง 40% ขณะที่กินไฟน้อยกว่า 10% ถือเป็นการ ‘เปลี่ยนเลน’ ในการแข่งขันที่จีนเคยตามหลังมาตลอด
ศาสตราจารย์ Peng Hailin ผู้นำทีมวิจัยเปิดเผยว่า “นี่คือทรานซิสเตอร์ที่เร็วและมีประสิทธิภาพมากที่สุดเท่าที่เคยมีมา” โดยสิ่งที่ทำให้นวัตกรรมนี้โดดเด่นคือการใช้วัสดุฐานบิสมัทแทนซิลิคอน แถมยังสามารถผลิตได้ด้วยเทคโนโลยีที่มีอยู่แล้ว
“หากนวัตกรรมชิปทั่วไปเป็นเพียง ‘ทางลัด’ สิ่งที่เราทำคือการ ‘เปลี่ยนเลน’ เลยทีเดียว แม้จะเกิดจากความจำเป็นเพราะถูกคว่ำบาตร แต่ก็บังคับให้เราต้องมองหาทางออกจากมุมใหม่ๆ” Peng กล่าว
จีนเผชิญกับการคว่ำบาตรนำโดยสหรัฐฯ ทำให้ไม่สามารถผลิตชิปซิลิคอนรุ่นล่าสุดได้ในแผ่นดินใหญ่ ทีมนักวิจัยจึงเปลี่ยนทิศทางไปใช้วัสดุ 2 มิติที่มีความบางระดับอะตอมและมีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่รวดเร็วกว่า
การค้นพบนี้เป็นจุดเปลี่ยนสำคัญในวงการเซมิคอนดักเตอร์ที่เคยพึ่งพาซิลิคอนมายาวนาน ในอดีต เมื่อชิปถูกย่อขนาดลงเรื่อยๆ ตาม ‘กฎของมัวร์’ จนถึงขนาด 3 นาโนเมตร ก็เริ่มเจอข้อจำกัดทั้งด้านการใช้พลังงานที่เพิ่มขึ้นและปัญหาอื่นๆ
ความพิเศษของชิปใหม่นี้อยู่ที่โครงสร้างแบบ GAAFET (Gate-All-Around Field-Effect Transistor) โดย ‘เกต’ คือส่วนควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้าในทรานซิสเตอร์ ทำหน้าที่เหมือนวาล์วเปิด-ปิดน้ำ ชิปรุ่นใหม่นี้มีการออกแบบคล้ายสะพานที่ถักทอเข้าด้วยกัน ทำให้เกตล้อมรอบช่องทางการไหลของกระแสไฟฟ้าได้มากขึ้น ควบคุมการทำงานได้แม่นยำกว่า
นักวิจัยสร้างวัสดุพิเศษสองชนิด คือเซมิคอนดักเตอร์ Bi2O2Se และวัสดุไดอิเล็กทริก Bi2SeO5 ซึ่งมีข้อดีคือการเชื่อมต่อระหว่างวัสดุทั้งสองราบรื่น มีข้อบกพร่องน้อยมาก จึงไม่เกิดการสะท้อนกลับของอิเล็กตรอน
“เปรียบเหมือนน้ำที่ไหลผ่านท่อเรียบลื่น อิเล็กตรอนเคลื่อนที่แทบไม่มีการสูญเสีย” Peng อธิบายอย่างเข้าใจง่าย ด้วยเหตุนี้ทรานซิสเตอร์จึงทำงานได้เร็วขึ้นและใช้พลังงานน้อยลง
ทีมวิจัยประเมินว่า เมื่อผลิตจริงด้วยเทคโนโลยีปัจจุบัน ชิปของพวกเขาจะทำงานได้เร็วกว่าชิปซิลิคอนทันสมัยที่สุดประมาณ 1.4 เท่า โดยใช้พลังงานเพียง 90%
นอกจากนี้ พวกเขายังสร้างวงจรลอจิกขนาดเล็กที่ทำงานได้ดีแม้ใช้แรงดันไฟฟ้าต่ำมาก ซึ่งจะช่วยลดการใช้พลังงานและเพิ่มความทนทานต่อสัญญาณรบกวน
ความก้าวหน้านี้เป็นผลงานการวิจัยกว่า 10 ปีของทีม ที่ค้นพบระบบวัสดุ Bi2O2Se/Bi2SeO5 และพัฒนามาอย่างต่อเนื่อง ขณะนี้กำลังมุ่งมั่นขยายการผลิตสู่ระดับอุตสาหกรรม ซึ่งอาจเป็นก้าวสำคัญที่ทำให้จีนสามารถแซงหน้าในการแข่งขันด้านเทคโนโลยีชิปโลก
อ้างอิง:
