ทีมวิจัยทำลายขีดจำกัดอายุการใช้งานของชิปหน่วยความจำ ทำสำเร็จเกิน 10 พันล้านรอบการเขียน

ทีมนักวิจัยค้นพบวิธีที่ช่วยยืดอายุการใช้งานของชิปหน่วยความจำรุ่นใหม่ได้อย่างมีนัยสำคัญ ความก้าวหน้านี้อาจขจัดอุปสรรคสำคัญในการนำเทคโนโลยีดังกล่าวมาใช้ในการประมวลผลประสิทธิภาพสูง ท่ามกลางกระแสความเฟื่องฟูของปัญญาประดิษฐ์ที่ผลักดันให้ความต้องการเซมิคอนดักเตอร์ที่เร็วและเชื่อถือได้มากยิ่งขึ้น ทีมวิจัยสาธิตให้เห็นว่าวัสดุดังกล่าวสามารถทนรอบการเขียนได้เกิน 10 พันล้านรอบ ซึ่งประมาณ 100 เท่าของอายุการใช้งานที่เทคโนโลยีเดียวกันเคยทำได้ก่อนหน้านี้ งานวิจัยนี้นำโดยนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัย Xidian ร่วมกับ City University of Hong Kong และ Fudan University และได้รับการตีพิมพ์เมื่อวันพฤหัสบดีในวารสาร Science

ศักยภาพและความท้าทายของวัสดุชนิดใหม่

ด้วยการเติบโตของวัสดุหน่วยความจำรุ่นใหม่ วัสดุเฟอร์โรอิเล็กทริกแบบรอมโบฮีดรัลอย่างอะลูมิเนียมสแกนเดียมไนไตรด์ (AlScN) ได้รับความสนใจมากขึ้นเรื่อยๆ จุดดึงดูดอยู่ที่ความเร็วในการสลับสถานะที่รวดเร็วและศักยภาพในการใช้พลังงานต่ำ วัสดุนี้ยังสามารถใช้ร่วมกับกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่มีอยู่เดิมได้ ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบในทางปฏิบัติที่อาจช่วยให้การนำไปใช้ในอุปกรณ์หน่วยความจำในอนาคตง่ายขึ้น อย่างไรก็ตาม สัญญาณดังกล่าวมาสะดุดกับอุปสรรคที่ยังคงอยู่ อุปกรณ์ AlScN ที่มีอยู่ในปัจจุบันมักเสื่อมสภาพหลังจากใช้งานไปประมาณ 100 ล้านรอบการเขียน ซึ่งต่ำกว่าหลักพันล้านรอบที่จำเป็นสำหรับการใช้งานในเชิงพาณิชย์เป็นอย่างมาก

นักวิจัยพบว่าสาเหตุหลักของการเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วคือตำแหน่งว่างของไนโตรเจน ซึ่งก็คือจุดที่โครงสร้างของวัสดุขาดอะตอมไนโตรเจนไป นางสาว Wang Ruiqing นักศึกษาปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัย Xidian ได้ยกอุปมาอุปไมยง่ายๆ เพื่ออธิบายปัญหานี้ โดยเปรียบวัสดุเฟอร์โรอิเล็กทริกเหมือนแปลงข้าวโพดที่ปลูกอย่างเป็นระเบียบ ส่วนตำแหน่งว่างของไนโตรเจนก็เปรียบเสมือนจุดที่ต้นกล้าหายไป

ปัญหาที่แท้จริงไม่ได้อยู่ที่จำนวนตำแหน่งว่างเพียงเท่านั้น แต่อยู่ที่พฤติกรรมของตำแหน่งเหล่านั้นเมื่อวัสดุเริ่มสลับสถานะซ้ำๆ ตำแหน่งว่างของไนโตรเจนอาจเคลื่อนที่และรวมตัวกันเมื่อเวลาผ่านไป จนในที่สุดก่อตัวเป็นช่องทางให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านวัสดุ ซึ่งนำไปสู่การเสื่อมสภาพ นางสาว Wang กล่าวว่า นักวิจัยในยุคแรกสามารถสังเกตเห็นการเสื่อมสภาพของอุปกรณ์ และแม้แต่บันทึกอาการบางอย่างของปัญหาได้ อย่างไรก็ตาม ไม่มีใครเคยอธิบายได้ว่าสิ่งที่เกิดขึ้นจริงในระดับอะตอมคืออะไร มันเคลื่อนที่อย่างไร และการเคลื่อนที่นั้นนำไปสู่ความล้มเหลวได้อย่างไรในที่สุด

นวัตกรรมเพื่อแก้ปัญหาตำแหน่งว่างของไนโตรเจน

ทีมวิจัยแก้ปัญหานี้ด้วยการออกแบบโครงสร้างแบบชั้น เพื่อจำกัดขอบเขตการเคลื่อนที่ของตำแหน่งว่างของไนโตรเจนโดยเฉพาะ ด้วยการจำกัดการเคลื่อนที่และป้องกันไม่ให้ตำแหน่งเหล่านั้นรวมตัวกัน นักวิจัยสามารถชะลอการเสื่อมสภาพของวัสดุได้อย่างมีนัยสำคัญ จนสามารถทนรอบการเขียนได้เกิน 10 พันล้านรอบในการทดสอบ

อย่างไรก็ตาม ผลการวิจัยเหล่านี้ในขณะนี้ยังคงอยู่ในขั้นตอนของห้องปฏิบัติการ ผลลัพธ์ดังกล่าวชี้ไปสู่เส้นทางที่เป็นไปได้ในการใช้วัสดุประเภทนี้สร้างชิปหน่วยความจำที่มีความหนาแน่นสูงและใช้พลังงานต่ำยิ่งขึ้น ความก้าวหน้านี้เกิดขึ้นในจังหวะที่เหมาะสม เนื่องจากความต้องการเซมิคอนดักเตอร์ที่เร็วและเชื่อถือได้มากขึ้นทั่วโลกยังคงเพิ่มสูงขึ้น ขณะที่กระแสความเฟื่องฟูของปัญญาประดิษฐ์ในวงกว้างก็เป็นตัวเร่งความต้องการนี้เช่นกัน ความต้องการดังกล่าวทำให้ความพยายามในการทำให้วัสดุเฟอร์โรอิเล็กทริกแบบรอมโบฮีดรัลมีความทนทานเพียงพอสำหรับใช้งานในฮาร์ดแวร์คอมพิวเตอร์ในชีวิตประจำวันจริงกลายเป็นเรื่องเร่งด่วนยิ่งขึ้น

ผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นจากเทคโนโลยีชิปหน่วยความจำรุ่นใหม่

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของปัญญาประดิษฐ์ ความต้องการเซมิคอนดักเตอร์ประสิทธิภาพสูงจึงเพิ่มสูงขึ้นเรื่อยๆ ความก้าวหน้าของทีมวิจัยไม่ได้เพียงยืดอายุการใช้งานของชิปหน่วยความจำ แต่ยังเปิดทางเลือกใหม่สำหรับฮาร์ดแวร์คอมพิวเตอร์ในอนาคตอีกด้วย การประยุกต์ใช้วัสดุชนิดใหม่อย่างอะลูมิเนียมสแกนเดียมไนไตรด์ หากสามารถเอาชนะปัญหาด้านความทนทานได้ อาจเปลี่ยนแปลงการออกแบบและประสิทธิภาพของอุปกรณ์หน่วยความจำ ตลอดจนส่งเสริมให้เกิดแพลตฟอร์มการประมวลผลที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ความก้าวหน้านี้ไม่เพียงช่วยยกระดับความเป็นไปได้ในการนำไปใช้งานจริงเท่านั้น แต่ยังผลักดันให้เกิดนวัตกรรมและการพัฒนาทั่วทั้งอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์อีกด้วย