Samsung เผยงานวิจัย ชิปเก็บข้อมูล NAND FeFET แบบใหม่ ใช้พลังงานน้อยลง 96%

ในยุคที่ AI และ Big Data กลายเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ เรามักพูดถึงความเร็วในการประมวลผลหรือความจุของข้อมูลที่เพิ่มขึ้นอย่างมหาศาล แต่สิ่งที่เรามักละเลยคือสิ่งที่ต้องแลกในรูปแบบของพลังงาน ความร้อน และโครงสร้างพื้นฐานที่กำลังแบกรับภาระหนักอึ้ง

ทุกครั้งที่เราบันทึกไฟล์หรือดึงข้อมูลจาก Cloud มันคือการเผาผลาญพลังงานที่มองไม่เห็น แต่ล่าสุด ทีมนักวิจัยจาก Samsung Advanced Institute of Technology ออกมาเผยแพร่งานวิจัยลงในวารสาร Nature ที่อาจเป็นกุญแจสำคัญในการช่วยประหยัดพลังงานให้กับโลก ด้วยสถาปัตยกรรมหน่วยความจำแบบใหม่ที่ลดการใช้พลังงานไฟฟ้าได้ 96%

เพื่อให้เข้าใจความสำคัญของเรื่องนี้ เราต้องมองโครงสร้างของหน่วยความจำ NAND Flash ที่อยู่ใน SSD หรือมือถือของทุกคนซะก่อน จินตนาการว่าในชิปหนึ่งตัวเปรียบเหมือนกับคอนโดฯ สูงระฟ้า ที่ในทุก ๆ ชั้นจะมีห้องเก็บข้อมูล ปัญหาคือทุกครั้งที่มีการอ่านหรือเขียนข้อมูล ระบบจำเป็นต้องจ่ายไฟเลี้ยงให้กับทุกชั้น เพื่อเปิดทางให้สัญญาณวิ่งผ่านไปได้

ถ้าเก็บข้อมูลอยู่ชั้นที่ 100 แต่การจะขึ้นลิฟต์ไป ก็ต้องเปิดไฟทางเดินของทั้ง 99 ชั้นด้านล่าง ทำให้สิ้นเปลืองพลังงาน ยิ่งสูงพลังงานที่เสียไปกับค่าผ่านทางนี้ยิ่งทวีคูณ จนกลายเป็นตัวการหลักที่ทำให้หน่วยความจำรุ่นใหม่ ๆ กินไฟมหาศาล

แต่งานวิจัยของ Samsung ก็ค้นพบทางออกโดยการเปลี่ยนโครงสร้างพื้นฐานจากเดิมที่เป็น Charge-Trap มาเป็น Ferroelectric Field-Effect Transistor (FeFET) โดยใช้วัสดุกลุ่มแฮฟเนียม (Hafnia-based ferroelectric) กับออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์ (Oxide Semiconductor) ทำให้สามารถทำงานได้โดยมีแรงดันไฟฟ้าเริ่มต้นต่ำกว่าศูนย์ หรือที่เรียกว่า “Near-Zero Pass-Voltage” สิ่งนี้ทำให้ระบบสามารถดำเนินการอ่านหรือเขียนข้อมูลได้โดยแทบไม่ต้องจ่ายแรงดันไฟฟ้าเพื่อผ่านทางเหมือนแต่ก่อน

จากการจำลองโมเดลของทีมวิจัย หากนำเทคโนโลยีนี้ไปใช้กับหน่วยความจำที่มีความสูง 286 เลเยอร์ จะลดพลังงานในการเขียนและอ่านได้ถึง 94% และหากเทคโนโลยีนี้พัฒนาไปถึงระดับ 1,024 เลเยอร์ ตัวเลขการประหยัดพลังงานจะพุ่งสูงเกิน 96% เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีปัจจุบัน

แม้จะประหยัดพลังงาน แต่ก็ยังมีเรื่องที่ต้องวิจัยเพิ่มเกี่ยวกับความทนทาน ทีมวิจัยพบว่าโครงสร้างแบบใหม่นี้รองรับรอบการเขียนข้อมูล (Cycle) ได้เพียงหลักร้อยถึงหลักพันครั้งเท่านั้น ในขณะที่ SSD เกรดองค์กรต้องการความทนทานที่สูงกว่านี้มาก นอกจากนี้ยังมีเรื่องวัสดุที่ต้องทนทานกับอุณหภูมิสูงในขณะใช้งานที่ยังเป็นโจทย์หินอีกด้วย

แต่นี่ถือว่าเป็นก้าวสำคัญของวงการเทคโนโลยีโลก เพราะสถาปัตยกรรมหน่วยความจำแบบเดิมกำลังจะถึงทางตันในแง่ของประสิทธิภาพพลังงาน หากโลกยังต้องการ AI ที่ฉลาดขึ้นและ Data Center ที่ใหญ่ขึ้น เราต้องการฮาร์ดแวร์ที่กินไฟน้อยลงอย่างมีนัยสำคัญ นวัตกรรม FeFET ของ Samsung จึงเป็นแสงสว่างที่ปลายอุโมงค์ที่น่าจับตามองที่สุดในขณะนี้ แม้จะต้องรออีกหลายปีกว่าจะได้เห็นมันในอุปกรณ์จริงก็ตาม