แกร่งทะลุขีดจำกัดชิป AI รู้จักชิป ‘Memristor’ ทนความร้อนทะลุ 700 องศา! นักวิจัยพบโดยบังเอิญระหว่างทดลองวัสดุอื่น

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกชิ้นที่เราใช้ ตั้งแต่สมาร์ทโฟนยันดาวเทียม มีจุดอ่อนร่วมกันอยู่อย่างหนึ่ง คือความร้อน พอเกิน 200°C อุปกรณ์ส่วนใหญ่เริ่มพัง กำแพงความร้อนนี้เป็นหนึ่งในข้อจำกัดที่แก้ยากที่สุดของวงการวิศวกรรมมานานหลายสิบปี

ทีมวิจัยจาก University of Southern California (USC) เพิ่งทลายกำแพงนั้น ด้วยอุปกรณ์หน่วยความจำที่ทำงานได้ที่อุณหภูมิ 700°C ซึ่งร้อนกว่าลาวาภูเขาไฟ โดยไม่มีสัญญาณว่าจะพัง และ 700°C ก็ยังไม่ใช่ขีดจำกัดของมัน แค่เป็นขีดจำกัดของเครื่องทดสอบเท่านั้น

งานวิจัยตีพิมพ์ในวารสาร Science เมื่อวันที่ 26 มีนาคม 2569 นำโดย Joshua Yang ศาสตราจารย์จาก USC Viterbi School of Engineering

'คุณอาจเรียกมันว่าการปฏิวัติ นี่คือหน่วยความจำทนความร้อนสูงที่ดีที่สุดเท่าที่เคยสาธิตมา'

เมมริสเตอร์ ชิปที่ทำได้ทั้งจำและคิด

อุปกรณ์ที่ว่านี้เรียกว่า 'เมมริสเตอร์' (memristor) ซึ่งเป็นชิ้นส่วนระดับนาโนที่ทำได้ทั้งเก็บข้อมูลและประมวลผลในตัวเดียวกัน โครงสร้างเป็นแบบแซนด์วิชสามชั้น มีขั้วไฟฟ้าสองด้านประกบชั้นเซรามิกบาง ๆ ตรงกลาง

Jian Zhao ผู้เขียนหลักของงานวิจัย เลือกใช้วัสดุแบบจัดหนัก ชั้นบนเป็นทังสเตน (Tungsten) ซึ่งเป็นธาตุที่มีจุดหลอมเหลวสูงที่สุด ชั้นกลางเป็นเซรามิกแฮฟเนียมออกไซด์ (Hafnium Oxide) และชั้นล่างเป็นกราฟีน (Graphene) แผ่นคาร์บอนหนาแค่อะตอมเดียวที่ขึ้นชื่อเรื่องความแข็งแกร่งและทนความร้อน

ผลลัพธ์ที่ได้น่าทึ่ง อุปกรณ์เก็บข้อมูลได้นานกว่า 50 ชั่วโมงที่ 700°C โดยไม่ต้องรีเฟรช ทนการสลับสถานะได้กว่า 1,000 ล้านรอบที่อุณหภูมินั้น ทำงานที่แรงดันแค่ 1.5 โวลต์ ด้วยความเร็วระดับหลักสิบนาโนวินาที

ค้นพบโดยบังเอิญ เหมือนการค้นพบส่วนใหญ่

เรื่องที่น่าสนใจคือทีมวิจัยไม่ได้ตั้งใจจะสร้างอุปกรณ์นี้ตั้งแต่แรก พวกเขากำลังพยายามสร้างอุปกรณ์กราฟีนอีกแบบหนึ่งที่ไม่ได้ผลตามที่หวัง แต่ระหว่างทางก็เจอสิ่งที่ไม่คาดคิด

'พูดตามตรง มันเกิดจากอุบัติเหตุ เหมือนการค้นพบส่วนใหญ่ ถ้าคุณทำนายได้ มันก็มักจะไม่น่าแปลกใจ และอาจไม่สำคัญพอ'

เมื่อสืบค้นลึกลงไป ทีมวิจัยจึงเข้าใจว่าทำไมมันถึงทำงานได้ดีขนาดนี้ ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป ความร้อนทำให้อะตอมโลหะจากขั้วไฟฟ้าด้านบนค่อย ๆ เคลื่อนผ่านชั้นเซรามิก จนในที่สุดไปถึงขั้วด้านล่างและสร้างสะพานนำไฟฟ้าถาวร ทำให้อุปกรณ์ลัดวงจรและพังไปเลย

กราฟีนป้องกันสิ่งนี้ได้ Yang อธิบายว่าปฏิสัมพันธ์ระหว่างทังสเตนกับกราฟีนคล้ายกับน้ำมันกับน้ำ อะตอมทังสเตนที่เคลื่อนมาถึงผิวกราฟีนไม่สามารถเกาะติดได้ ไม่มีจุดให้ยึด มันก็ลอยหายไปแทนที่จะสร้างสะพานนำไฟฟ้า จึงไม่เกิดลัดวงจรและอุปกรณ์ยังทำงานได้แม้ในความร้อนสุดขีด

ทีมวิจัยยืนยันกลไกนี้ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนขั้นสูง สเปกโทรสโกปี และการจำลองระดับควอนตัม ซึ่งหมายความว่าหลักการนี้สามารถนำไปใช้กับวัสดุอื่น ๆ ที่มีคุณสมบัติผิวคล้ายกันได้ เปิดทางให้ขยายเทคโนโลยีสู่การผลิตเชิงอุตสาหกรรม

ดาวศุกร์ หลุมเจาะพลังงานใต้ดิน และเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทำงานเกิน 500°C ได้เป็นเป้าหมายของการสำรวจอวกาศมานาน ดาวศุกร์มีอุณหภูมิพื้นผิวราว 500°C และยานลงจอดทุกลำที่ส่งไปล้วนล้มเหลวส่วนหนึ่งเพราะความร้อน ชิปซิลิคอนปัจจุบันไม่มีทางรอดในสภาพแบบนั้น

'ตอนนี้เราอยู่ที่เกิน 700°C แล้ว และเราเชื่อว่ามันจะไปได้สูงกว่านี้' 

แต่การใช้งานไม่ได้จำกัดแค่อวกาศ ระบบพลังงานความร้อนใต้พิภพต้องการอุปกรณ์ที่ทำงานใต้ดินลึก ซึ่งหินรอบข้างร้อนจนเรืองแสงแดง ระบบนิวเคลียร์และฟิวชันก็เผชิญความร้อนรุนแรง แม้แต่ในชีวิตประจำวัน อุปกรณ์ที่ออกแบบมาสำหรับ 700°C ย่อมทนทานเป็นพิเศษในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์รถยนต์ที่ปกติร้อนราว 125°C

จุดที่น่าตื่นเต้นที่สุดสำหรับวงการ AI

นอกจากเก็บข้อมูลได้ เมมริสเตอร์ยังมีข้อได้เปรียบขนาดใหญ่สำหรับ AI ระบบ AI ส่วนใหญ่พึ่งพาการคูณเมทริกซ์ (Matrix Multiplication) อย่างหนัก ซึ่งเป็นการคำนวณที่ใช้ในงานอย่างการรู้จำภาพและการประมวลผลภาษา คอมพิวเตอร์แบบเดิมทำทีละขั้น กินพลังงานมหาศาล

เมมริสเตอร์ทำต่างออกไป โดยอาศัยกฎของโอห์มที่แรงดันคูณสภาพนำไฟฟ้าเท่ากับกระแส อุปกรณ์ทำการคำนวณโดยตรงขณะที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ได้ผลลัพธ์ทันทีจากกระแสที่วัดได้ ไม่ต้องคำนวณทีละขั้น

'กว่า 92% ของการประมวลผลในระบบ AI อย่าง ChatGPT ไม่ใช่อะไรอื่นนอกจากการคูณเมทริกซ์ อุปกรณ์ประเภทนี้ทำได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด เร็วกว่าหลายเท่าตัวและใช้พลังงานน้อยกว่า'

Yang กับผู้เขียนร่วมอีก 3 คนได้ก่อตั้งบริษัท TetraMem เพื่อผลิตชิป AI ที่ใช้เมมริสเตอร์เชิงพาณิชย์สำหรับอุณหภูมิปกติอยู่แล้ว ห้องแล็บของพวกเขาใช้ชิป TetraMem สำหรับงานแมชชีนเลิร์นนิงจริง ๆ ในตอนนี้ เวอร์ชันทนความร้อนสูงที่อธิบายในงานวิจัยนี้จะขยายขีดความสามารถเหล่านั้นไปสู่สภาพแวดล้อมที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบเดิมทำงานไม่ได้ ให้ยานอวกาศหรือเซ็นเซอร์อุตสาหกรรมประมวลผลข้อมูลได้ตรงจุดโดยไม่ต้องส่งกลับมาประมวลผลที่อื่น

ยังอีกไกลกว่าจะใช้งานจริง แต่ชิ้นส่วนที่ขาดหายถูกเติมเต็มแล้ว

Yang ย้ำว่าการนำไปใช้งานจริงยังต้องใช้เวลา หน่วยความจำเป็นแค่ส่วนหนึ่งของระบบประมวลผลทั้งหมด ยังต้องพัฒนาวงจรลอจิกทนความร้อนสูงและรวมเข้าด้วยกัน อุปกรณ์ปัจจุบันยังสร้างด้วยมือในขนาดเล็กมากในห้องแล็บ การผลิตในปริมาณมากต้องใช้เวลาอีก

'นี่เป็นก้าวแรก ยังอีกไกล แต่ตรรกะชัดเจน ตอนนี้มันเป็นไปได้แล้ว ชิ้นส่วนที่ขาดหายถูกสร้างขึ้นแล้ว'

ข่าวดีจากมุมการผลิตคือ วัสดุ 2 ใน 3 ตัวที่ใช้ ได้แก่ทังสเตนและแฮฟเนียมออกไซด์ ถูกใช้กันอยู่แล้วในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ ส่วนกราฟีนแม้จะใหม่กว่า แต่บริษัทใหญ่อย่าง TSMC และ Samsung กำลังพัฒนาอย่างจริงจัง และมีการผลิตในระดับเวเฟอร์ในสภาพแวดล้อมวิจัยแล้ว

ที่มา: Sciencedaily.com