นักวิจัยสร้างสมองคอมฯ บางระดับอะตอม โดยไม่ใช้ซิลิคอน
วงการเทคโนโลยีโลกกำลังขยับเข้าใกล้ยุคใหม่ของการประมวลผล หลังจากทีมนักวิจัยจาก Penn State University ประเทศสหรัฐอเมริกา ประสบความสำเร็จในการสร้าง “สมองของคอมพิวเตอร์” หรือวงจรประมวลผลหลัก ที่มีความบางระดับอะตอม ด้วยการใช้ วัสดุ 2D แทน ซิลิคอน ที่เคยเป็นรากฐานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มานานหลายทศวรรษ
ในช่วงหลายสิบปีที่ผ่านมา ซิลิคอน ถือเป็นหัวใจของเทคโนโลยีวงจรอิเล็กทรอนิกส์ และยังเป็นวัสดุหลักของชิปในคอมพิวเตอร์ สมาร์ตโฟน และอุปกรณ์ดิจิทัลแทบทุกชนิด แต่ในขณะที่วงการเทคโนโลยีพยายามลดขนาดชิปให้เล็กลงและเร็วขึ้นอย่างต่อเนื่อง ซิลิคอนเองก็กำลังเข้าใกล้ ขีดจำกัดทางฟิสิกส์ เข้าไปทุกที
หนึ่งในปัญหาหลักคือ เมื่อขนาดของทรานซิสเตอร์ในชิปเล็กลงถึงระดับไม่กี่นาโนเมตร พลังงานรั่ว (Leakage Current) จะเพิ่มสูงขึ้น และทำให้วงจรใช้พลังงานมากขึ้นทั้งที่ควรจะประหยัดขึ้น นอกจากนี้ยังมีปัญหาเรื่อง ความร้อนสะสม และ ความเสถียรในการทำงาน เมื่อซิลิคอนบางเกินไป
อีกหนึ่งข้อจำกัดคือ ซิลิคอนไม่สามารถคงคุณสมบัติการนำไฟฟ้าได้ดีเมื่อถูกทำให้บางในระดับอะตอม จึงไม่เหมาะกับการพัฒนาชิปที่ต้องการความบางแบบสุดขีด เช่น ชิปในอุปกรณ์พับงอ หรือสวมใส่ได้ (wearables)
ด้วยข้อจำกัดเหล่านี้ ทำให้นักวิจัยเริ่มหันไปสำรวจวัสดุใหม่ที่ตอบโจทย์อนาคตได้ดีกว่า — หนึ่งในนั้นก็คือ วัสดุ 2D ที่บางกว่า เบากว่า และสามารถคงคุณสมบัติทางไฟฟ้าได้ดีแม้ในระดับอะตอมเดียว
ทีมนักวิจัยไม่ได้เพียงแค่ทดลองสร้างทรานซิสเตอร์หรือชิ้นส่วนวงจรแบบบาง แต่ได้รวมวงจรเหล่านี้เข้าด้วยกันเป็น วงจร CMOS แบบสมบูรณ์ ซึ่งถือเป็นเทคโนโลยีเดียวกับที่ใช้อยู่ในชิปคอมพิวเตอร์หรือสมาร์ตโฟนในปัจจุบัน ต่างกันเพียงแค่…ทั้งหมดนี้ไม่ได้ทำจากซิลิคอนเลยแม้แต่น้อย
พวกเขาใช้วัสดุ 2D สองชนิด ได้แก่ molybdenum disulfide (MoS₂) สำหรับทรานซิสเตอร์ชนิด n-type และ tungsten diselenide (WSe₂) สำหรับทรานซิสเตอร์ชนิด p-type ซึ่งทั้งคู่เป็นวัสดุที่มีความหนาเพียงอะตอมเดียว แต่ยังคงคุณสมบัติทางไฟฟ้าได้ดีเยี่ยม
กระบวนการผลิตเรียกว่า Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) ซึ่งเป็นเทคนิคการสร้างวัสดุระดับนาโนด้วยการเปลี่ยนสารให้เป็นไอ และหลอมรวมเป็นแผ่นบางพิเศษบนผิววัสดุเป้าหมาย ผลลัพธ์คือแผ่นทรานซิสเตอร์บางเฉียบขนาดใหญ่ ที่นักวิจัยสามารถควบคุมแรงดันการทำงานให้เข้ากันได้ทั้งสองชนิด แล้วนำมาประกอบเป็นวงจร CMOS logic ได้จริง
สิ่งที่น่าทึ่งคือ วงจรที่ได้สามารถทำงานได้จริงในระดับ “คอมพิวเตอร์ขนาดเล็ก” หรือที่เรียกว่า One Instruction Set Computer (OISC) ซึ่งแม้จะทำงานได้เพียงคำสั่งง่าย ๆ ด้วยความถี่ 25 กิโลเฮิรตซ์ (ต่ำกว่าชิปในสมาร์ตโฟนทั่วไปหลายพันเท่า) แต่แสดงให้เห็นว่า วัสดุ 2D สามารถใช้สร้างระบบประมวลผลที่แท้จริงได้แล้ว
Subir Ghosh นักศึกษาปริญญาเอกในทีมวิจัยกล่าวว่า จุดแข็งของวงจรแบบนี้คือการใช้พลังงานต่ำมาก และมีศักยภาพที่จะใช้ในอุปกรณ์ที่ต้องการความบางเฉียบ เช่น สมาร์ตวอช์ บัตรอัจฉริยะ หรืออุปกรณ์สวมใส่ในอนาคต
ไม่ใช่แค่เรื่อง “บาง” อย่างเดียว แต่นี่คือก้าวแรกของโลกคอมพิวเตอร์ที่ ไม่มีซิลิคอนเป็นตัวนำหลัก อีกต่อไป และอาจเปลี่ยนทิศทางของวงการอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งโลกในอนาคต
