ที่ผ่านมา Silicon ทำหน้าที่ได้อย่างแข็งขัน หากโลกเทคโนโลยีย่ำอยู่กับที่ เรื่องนี้คงไม่ใช่ปัญหา แต่เรากำลังก้าวสู่โลกประมวลผลแห่งอนาคต ที่ต้องใช้ขุมพลังมหาศาล กับความเร็วที่ต้องวิ่งตามให้ทัน ถึงเวลาหรือยังที่ต้องมองหาตัวตายตัวแทนเพื่ออนาคตของโลกดิจิทัล
ซิลิกอน ถือได้ว่าเป็นกระดูกสันหลังของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์มานานนับหลายทศวรรษ แต่ปัจจุบันได้มาถึงขีดจำกัดทางกายภาพในแง่ของความสามารถในการลดขนาดของทรานซิสเตอร์ ซึ่งจำเป็นต่อการเพิ่มพลังการประมวลผลของชิปคอมพิวเตอร์ ซึ่งเป็นขุมพลังสำคัญสำหรับโลกดิจิทัลแห่งอนาคต
งานนี้บรรดานักวิจัยจึงเร่งสำรวจวัสดุใหม่เพื่อมาแทนที่ Silicon เพื่อให้รองรับเทคโนโลยีที่กำลังพัฒนาแบบก้าวกระโดด เรียกว่ากำลังหาตัวตายตัวแทนมาช่วยรับมือกับโลกยุคใหม่
รู้จัก Silicon พื้นฐานแบบเนิร์ดๆ
Silicon เป็นธาตุเคมีในตารางธาตุ ที่มีสัญลักษณ์ Si และเลขอะตอม 14 เป็นธาตุกึ่งโลหะแบบเตตระวาเลนต์ (คือมีวาเลนซ์เป็น 4) ทำปฏิกิริยาน้อยกว่าธาตุที่คล้ายกันคือคาร์บอน เป็นธาตุที่มีมากที่สุดในเปลือกโลกเป็นอันดับ 2 มีปริมาตร 25.7% โดยน้ำหนัก ปรากฏในดินเหนียว เฟลด์สปาร์ (feldspar) หินแกรนิต ควอตซ์ และทราย
สภาพส่วนใหญ่จะอยู่ในรูปของซิลิกอน ไดออกไซด์ (หรือซิลิกา) และซิลิเกต (สารประกอบที่ประกอบจากซิลิกอน ออกซิเจน และ โลหะ) ซิลิกอน เป็นส่วนประกอบหลักของแก้ว ซีเมนต์ เซรามิก, อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ ส่วนใหญ่ และซิลิโคน (สารพลาสติกที่มักจะสับสนกับซิลิกอน) ซิลิกอนใช้เป็นสารกึ่งตัวนำอย่างแพร่หลาย เนื่องจาก สารกึ่งตัวนำเจอร์เมเนียมมีปัญหาเกี่ยวกับการไหลของกระแสไหลย้อนกลับ (reverse leakage current)
ปัจจุบัน โลกแห่งการประมวลผลกำลังถึงทางตัน
แม้ว่า ซิลิกอน จะถูกเรียกว่าเป็นกระดูกสันหลังของอุตสาหกรรมสารกึ่งตัวนำ แต่ก็เริ่มจะส่อเค้าถึงอุปสรรคในการพัฒนาต่อ เช่นเมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมาบริษัทยักษ์ใหญ่อย่าง Intel ไม่สามารถขยับเทคโนโลยีการผลิตชิปประมวลผลในกลุ่มของ Core I ที่มีการใช้งานสำหรับกลุ่มลูกค้าทั่วไป เพราะเจอปัญหาว่าไม่สามารถลดขนาดของ Die หรือแผ่นชิปซิลิกอนให้ต่ำกว่า 10 นาโนเมตร ได้
นอกจากนี้ นักวิทยาศาสตร์และนักฟิสิกส์รวมถึงนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์สายก้าวหน้าอื่นๆ ก็เริ่มออกมาส่งสัญญาณแล้วเช่นกัน ว่าเทคโนโลยีบนสารกึ่งตัวนำใดๆ ที่ใช้ซิลิกอนเป็นตัวประกอบ จะไม่สามารถรองรับอำนาจการประมวลผลระดับ ควอนตัน ที่กำลังจะมาถึงในอนาคตอันใกล้ได้
เพราะฉะนั้น ตอนนี้ทุกคนที่อยู่ในอุตสาหกรรมสารกึ่งตัวนำกำลังเฟ้นหาตัวตายตัวแทน เพื่อเป็นทางรอดสำหรับอนาคตที่กำลังถูกความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีไล่ล่า มีคำตอบเดียวคือยังไงก็ต้องรอด เพราะถ้าทำไม่ได้นั่นหมายถึงการพัฒนาหลายอย่างจะต้องหยุดชะงักเลยทีเดียว
5 สารกึ่งตัวนำที่เข้ารอบ
ปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์และนักอุตสาหกรรมได้เลือกเอา 5 สสารต่อไปนี้ มายึดหัวหาดในการพัฒนาต่อยอดเพื่อเป็นสารกึ่งตัวนำที่จะใช้แทน Silicon
- Gallium nitride (GaN) ปัจจุบันสารกึ่งตัวนำนี้ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลาย ทั้งในการผลิตหลอดไฟแบบ LED (Light Emitting Diode) โดยให้ข้อดีหลายอย่างที่เหนือกว่า ซิลิกอน ได้แก่ ประสิทธิภาพที่สูงกว่า ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงกว่า และความถี่ในการสลับสถานการทำงานที่สูงกว่า?โดยในภาพรวมนั้น GaN มีศักยภาพในการแทนที่ซิลิคอนในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง และสามารถใช้เพื่อสร้างชิปคอมพิวเตอร์ที่เร็วขึ้นและมีประสิทธิภาพมากขึ้น
- Carbon nanotubes (CNTs): สสารชนิดนี้เกิดจากอะตอมของคาร์บอนที่จัดเรียงในโครงสร้างคล้ายท่อ มีข้อดีหลายประการเหนือซิลิกอน คือ ให้ค่าการนำความร้อนที่สูงกว่า ค่าการนำไฟฟ้าที่สูงกว่า และขนาดเล็กกว่า ทำให้สามารถใช้ทดแทนในการสร้างชิปคอมพิวเตอร์ที่เร็วขึ้นและมีประสิทธิภาพมากขึ้น และอาจใช้แทนซิลิกอนได้ในบางเรื่อง
ข้อสังเกตคือ การนำเอา Carbon nanotubes มาใช้จะช่วยแก้ปัญหาข้อจำกัดเรื่องขนาดทางเดินหรือทรานซิสเตอร์
- Graphene : กราฟีนเป็นสสารแบบสองมิติที่ทำจากอะตอมของคาร์บอนที่เรียงตัวกันเป็นรูปหกเหลี่ยม ข้อดีเมื่อเทียบกับซิลิกอน คือ ให้ค่าการนำไฟฟ้าที่สูงกว่า ค่าการนำความร้อนที่สูงกว่า และมีขนาดเล็กกว่า ข้อสังเกตในปัจจุบันคือแม้จะมีคุณสมบัติเด่นมากมายแต่ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นที่ต้องมีการศึกษาเพิ่มเติม
ปัจจุบัน กราฟีน นั้นถูกนำไปพัฒนาในอุตสาหกรรมแบตเตอรีเพื่อรถไฟฟ้า ในลักษณะของ Semi Solid State
- สสารผสมของธาตุหมู่ 3 และ 4 : สสารกลุ่มนี้ได้แก่ gallium arsenide (GaAs) and indium phosphide (InP) สารประกอบเหล่านี้มีข้อได้เปรียบ เช่น การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่สูงกว่าและความเร็วในการทำงานที่สูงขึ้น ปัจจุบันมีใช้ในอุปกรณ์สื่อสารความเร็วสูงและมีศักยภาพในการแทนที่ซิลิกอนสำหรับการใช้งานบางประเภท
- Germanium : สสารชนิดนี้ถือว่าเป็นสารกึ่งตัวนำที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าซิลิกอน ทั้งการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่สูงกว่ารวมถึงเร็วกว่า ปัจจุบันมีการนำมาใช้งานแทนในบางรูปแบบอยู่แล้ว
หากจะให้สรุปในตอนนี้ก็คงยังยากที่จะระบุได้ว่า 1 ใน 5 นี้สสารตัวไหนจะถูกเลือกให้เป็นสารกึ่งตัวนำสำหรับอนาคต เพราะอยู่ที่กระบวนการที่จะได้มา ด้วยต้นทุนที่เหมาะสม เรียกว่าต้องมองให้ครบทุกด้าน รวมถึงเรื่องความเป็นมิตรต่อสภาพแวดล้อมด้วยเช่นกัน
Remark :
ปัจจุบัน สสารอย่าง Gallium nitride (GaN) เริ่มมีการนำมาใช้ในอุสาหกรรมอิเล็คทรอนิกส์หลายชนิด เช่น หม้อแปลงไฟฟ้า โดยเฉพาะที่นำมาใช้กับหม้อแปลงสำหรับอุปกรณ์ชาร์จไฟให้กับโทรศัท์มือถือ เพราะด้วยความสามารถในการแปลงไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม ประสิทธิภาพที่ดี ทำให้ขนาดของหม้อแปลงไฟฟ้ารุ่นใหม่ที่ใช้ Gallium nitride (GaN) นั้นมีประสิทธิภาพดีและขนาดที่เล็กลงอย่างมาก
สำหรับท่านที่สนใจและติดตาม ข่าวสาร และบทความทางด้าน Innovation สามารถอ่านเพิ่มเติมได้ ที่นี่
