ทีมวิจัยจาก MIT แก้ปัญหาคอขวดการประมวลผลชิปซิลิคอนด้วยการฝัง Transistor GaN ลงในชั้นเพชรบางระดับนาโน โดยเพชรทำหน้าที่กระจายความร้อนให้อุณหภูมิเท่ากันทั่วชิป ทำให้ Transistor เข้าใกล้ประสิทธิภาพสูงสุดได้โดยไม่เสียความน่าเชื่อถือ โดยได้ทดลองใช้เทคนิคนี้ผลิต Power Amplifier สำหรับการสื่อสารไร้สาย ซึ่งให้ประสิทธิภาพเหนือกว่า Amplifier แบบเดียวกันทุกตัวที่พบในงานวิจัยที่ตีพิมพ์มาก่อน
ซิลิคอนวัสดุที่เป็นพื้นฐานของชิปประมวลผลส่วนใหญ่ มักเผชิญกับข้อจำกัดในการรับมือกับพลังงานระดับสูง ซึ่งกลายเป็นเพดานที่จำกัดความเร็วและประสิทธิภาพการใช้พลังงาน ส่งผลต่อเทคโนโลยีการประมวลผลและการสื่อสารในอนาคต ทางออกที่อุตสาหกรรมมองไว้คือ Gallium Nitride (GaN) วัสดุที่รองรับความเร็วและพลังงานที่งานสื่อสารไร้สายอย่าง 6G และดาวเทียมต้องการ แต่ปัญหาที่ตามมาคือ Transistor GaN ที่ดีที่สุดก็ยังเปลี่ยนพลังงานส่วนใหญ่เป็นความร้อน และเมื่อนักวิจัยอัด Transistor เข้าไปในพื้นที่เล็กลงเรื่อยๆ จุดร้อนเฉพาะที่ (Hot Spot) ก็ทำลายความน่าเชื่อถือและฉุดประสิทธิภาพของชิปลง
เมื่อการผสมผสานวัสดุเปิดทางสู่การใช้ศักยภาพอันหลากหลายเพื่อยกระดับชิปประมวลผล
แนวทางที่นักวิจัยศึกษาอยู่เรียกว่า Heterogeneously Integrated System หรือการนำวัสดุหลายชนิดมาประกอบในแพ็กเกจเดียวเพื่อดึงจุดเด่นของแต่ละวัสดุออกมาใช้ ก่อนหน้านี้ทีม MIT เคยวางชั้น GaN ไว้บนซิลิคอนและบนกระจกมาแล้วเพื่อสร้างชิปประสิทธิภาพสูงขึ้น แต่ปัญหาของชิปแบบผสมวัสดุคือแต่ละวัสดุมีอุณหภูมิทำงานต่างกัน ซึ่งบ่อนทำลายความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์
Pradyot Yadav นักศึกษาปริญญาเอกด้านวิศวกรรมไฟฟ้าและวิทยาการคอมพิวเตอร์ (EECS) ของ MIT และผู้เขียนหลักของงานวิจัยนี้ อธิบายว่า “ถ้าเราใส่วัสดุที่จัดการความร้อนได้ จนทำให้ GaN กับซิลิคอนอยู่ในอุณหภูมิเดียวกัน ความน่าเชื่อถือของชิปที่ผสมผสานวัสดุรุ่นใหม่นี้ก็จะดีขึ้น และวัสดุที่ดีที่สุดสำหรับงานนี้คือเพชร” ทีมวิจัยใช้เพชรเกรดเครื่องประดับที่ปลูกในห้องทดลอง ชนิดเดียวกับที่ใช้ในแหวนหมั้นบางรุ่น เพราะเพชรมีค่าการนำความร้อนสูงที่สุดในบรรดาวัสดุที่รู้จักทั้งหมด และต้นทุนการปลูกเพชรผลึกเดี่ยวก็ลดลงมากจนนำมาใช้ในชิปคอมพิวเตอร์ได้จริง
เปลี่ยนการวาง GaN โดยตรง สู่การฝังลงในตัวกลาง ทางออกนวัตกรรมที่ปรับแนวคิดแบบเดิม
งานวิจัยก่อนหน้านี้เคยปลูกชั้นเพชรผลึกเดี่ยวบางระดับนาโนไว้บน Transistor GaN ตรงๆ เพื่อจัดการความร้อน แต่กระบวนการดังกล่าวขยายขนาดการผลิตได้ยาก และยังสร้างความจุทางไฟฟ้าที่ไม่ต้องการขึ้นในชิป ซึ่งดูดพลังงานที่ไหลผ่านวงจรออกไปจาก Transistor และทำให้การทำงานช้าลง
ทีม MIT เลือกแนวทางที่ต่างออกไปโดยสิ้นเชิง ด้วยการฝัง Transistor GaN ขนาดจิ๋ว ที่เรียกว่า Dielet ลงในแผ่นรองรับ (Interposer) ที่ทำจากเพชรผลึกเดี่ยวบางระดับนาโน ชั้นเพชรนี้กระจายและจัดการความร้อนจนทำให้ GaN กับซิลิคอนทำงานในอุณหภูมิเดียวกัน โดยไม่เกิดความจุทางไฟฟ้าที่ไม่ต้องการขึ้นมา Yadav อธิบายว่า “การฝัง Transistor GaN เหล่านี้ลงในแผ่นรองรับที่ทำจากเพชร ทำให้เราเพิ่มประสิทธิภาพของอุปกรณ์ได้จริง แทนที่จะทำให้มันแย่ลง”
เงื่อนไขความสำเร็จอยู่ที่เทคโนโลยี Femtosecond และความบางระดับไมครอน
กระบวนการผลิตเริ่มจากเลเซอร์ Femtosecond ความเร็วสูงตัดแยก Dielet GaN ออกจากแผ่นเวเฟอร์ จากนั้นใช้เลเซอร์ตัวเดียวกันเจาะโพรงขนาดพอดีลงในแผ่นเพชร วางฟิล์มยึดติดทางความร้อนที่บางเพียง 20 ไมครอนไว้ที่ก้นโพรง แล้ววาง Dielet ทับลงไป ก่อนใช้ความร้อนและความดันอัดให้ฟิล์มกับแผ่นเพชรประสานกัน Yadav ย้ำว่าจุดเชื่อมต่อนี้คือกุญแจสำคัญ “ถ้าฟิล์มยึดติดทางความร้อนไม่ถูกวางในตำแหน่งที่ถูกต้องพอดี การไหลของความร้อนผ่านเพชรไปยัง Transistor GaN ก็จะไม่ดีพอ ดังนั้นพื้นผิวต้องเรียบและสะอาดมากจริงๆ” หลังจากนั้นทีมจะวางชั้น Dielectric และโลหะเพิ่มเติมทับลงไปบน GaN และเพชรเพื่อสร้างวงจรที่ใช้งานได้จริง
ความสำเร็จที่เปิดทางสู่การสื่อสารไร้สายที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น
ทีมใช้เทคนิคนี้ผลิต Power Amplifier ซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักของระบบไร้สายทุกชนิด ทำหน้าที่แปลงสัญญาณไฟฟ้าขนาดเล็กให้ใหญ่ขึ้นพอจะส่งสัญญาณไปได้ไกล Amplifier ที่ทีมพัฒนาขึ้นให้กำลังขับ ประสิทธิภาพ และอัตราขยายสูงกว่าอุปกรณ์แบบเดียวกันทุกตัวที่ทีมรู้จัก รวมถึง Amplifier ที่ทีมเองออกแบบไว้ก่อนหน้านี้ด้วย Yadav กล่าวว่า “Power Amplifier คือหัวใจที่เต้นอยู่ของหน้าอุปกรณ์ไร้สาย ประสิทธิภาพของมันจะกำหนดประสิทธิภาพทั้งระบบสื่อสาร Amplifier ของเรามีกำลังมากพอที่จะส่งสัญญาณไปได้ไกลหลายไมล์”
ผลลัพธ์นี้ชี้ว่าเทคนิคนี้เหมาะกับงานที่ต้องการกำลังสูงเป็นพิเศษ เช่น เรดาร์กำลังสูง การสื่อสารในอวกาศ และโดรนภาคอุตสาหกรรม รวมถึงอาจนำไปใช้จัดการความร้อนในระบบแปลงพลังงานภายใน Data Center เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานได้ด้วย
อุตสาหกรรมไทยกับโอกาสลดความร้อนใน Power Semiconductor
แม้งานวิจัยนี้จะอยู่ในขั้นห้องแล็บและยังไกลจากการผลิตเชิงพาณิชย์ แต่ทิศทางของมันสะท้อนตรงกับสิ่งที่ภาคนโยบายไทยกำลังให้ความสำคัญ แต่กลุ่มชิป Power ถูกจัดเป็นหนึ่งในกลุ่มผลิตภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์เชิงยุทธศาสตร์ของไทยตามร่างยุทธศาสตร์ของ BOI เช่นกัน ความก้าวหน้าด้านการจัดการความร้อนใน Power Electronics แบบนี้ คือสิ่งที่จะกำหนดว่าอุปกรณ์ไร้สาย เรดาร์ และโดรนอุตสาหกรรมรุ่นต่อไปจะมีประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือสูงขึ้นได้แค่ไหน ซึ่งเป็นโจทย์เดียวกับที่ผู้ผลิตชิป Power ของไทยจะต้องเจอ หากต้องการแข่งขันในตลาดที่เทคโนโลยีเปลี่ยนเร็วขนาดนี้
ที่มา:
MIT
