"DNA×เซมิคอนดักเตอร์" เพื่อลดการใช้พลังงานของ AI อย่างมหาศาล? หน่วยความจำรุ่นใหม่ที่ผสานชีวภาพกับอิเล็กทรอนิกส์

ในขณะที่ AI กำลังแพร่หลายอย่างรวดเร็ว ปัญหาที่รุนแรงขึ้นเรื่อย ๆ กำลังเกิดขึ้นเบื้องหลัง

ไฟฟ้า

AI ไม่ได้ขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของโมเดลเพียงอย่างเดียว มันต้องอ่านข้อมูลจำนวนมากจากหน่วยความจำ ส่งไปยังอุปกรณ์คำนวณ และเขียนผลลัพธ์กลับไป กระบวนการนี้ถูกทำซ้ำหลายครั้ง

ดังนั้น ในคอมพิวเตอร์ยุคหน้า การที่สามารถบันทึกและเคลื่อนย้ายข้อมูลโดยใช้พลังงานน้อยที่สุดจะมีความสำคัญเท่ากับการเร่งความเร็วในการคำนวณ

ในขณะเดียวกัน มีงานวิจัยที่อาจเปลี่ยนแปลงหน่วยความจำของคอมพิวเตอร์จากพื้นฐาน

วัสดุที่ใช้คือ DNA

ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนียและที่อื่น ๆ ได้พัฒนาหน่วยความจำใหม่ที่ทำงานด้วยแรงดันไฟฟ้าต่ำมาก โดยใช้ DNA สังเคราะห์ที่ออกแบบขึ้นเองร่วมกับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่เรียกว่า "เพอรอฟสไกต์"

งานวิจัยที่เผยแพร่ใน Advanced Functional Materials ในปี 2026 นี้ ใช้ DNA ไม่เพียงแค่เป็น "โมเลกุลที่บันทึกข้อมูลชีวิต" แต่ยังเป็นวัสดุที่มีฟังก์ชันสำหรับสร้างวงจรอิเล็กทรอนิกส์

ชีววิทยาและวิศวกรรมเซมิคอนดักเตอร์

สองสาขาที่พัฒนามาแยกกันมาโดยตลอด กำลังเริ่มผสมผสานกันอย่างจริงจัง

DNA ถูกเรียกว่า "สื่อบันทึกข้อมูลที่สมบูรณ์แบบที่สุด"

เมื่อพูดถึง DNA หลายคนอาจนึกถึงข้อมูลพันธุกรรม

มันเป็นโมเลกุลที่เก็บข้อมูลของสิ่งมีชีวิตผ่านการเรียงลำดับของเบส 4 ชนิด คือ A, T, G, และ C

และ DNA ยังมีคุณสมบัติที่น่าทึ่งอีกอย่างหนึ่ง

คือความหนาแน่นของข้อมูลที่สูงมาก

ตามการประกาศของมหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนีย ในทางทฤษฎี DNA 1 กรัมสามารถเก็บข้อมูลได้ถึง 215 ล้าน GB

ซึ่งเป็นความหนาแน่นของข้อมูลในมิติที่แตกต่างจาก SSD หรือ HDD ที่ใช้ในปัจจุบัน

ดังนั้น การวิจัยเกี่ยวกับการแปลงข้อมูลดิจิทัลเป็นลำดับเบสของ DNA เพื่อการเก็บรักษาระยะยาว หรือ "DNA Storage" จึงได้ดำเนินการทั่วโลก

อย่างไรก็ตาม มีจุดสำคัญหนึ่งที่ต้องเข้าใจในงานวิจัยนี้

อุปกรณ์ที่พัฒนาขึ้นในครั้งนี้แตกต่างจาก "DNA Storage" ทั่วไปที่เก็บภาพหรือวิดีโอเป็นลำดับ A, T, G, C ภายใน DNA

มันใช้ DNA เป็นวัสดุสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ทีมวิจัยให้ความสนใจกับคุณสมบัติที่สามารถออกแบบ DNA ได้อย่างประดิษฐ์

ไม่ใช่ "DNA ธรรมชาติ" แต่เป็น DNA ที่ออกแบบเพื่อวงจรอิเล็กทรอนิกส์

DNA ธรรมชาติที่สกัดจากสิ่งมีชีวิตนั้นยาวมาก

ตามที่นักวิจัยกล่าว มันพันกันเหมือน "สปาเก็ตตี้เปียก" เมื่อจัดการ

เมื่อคุณต้องการจัดวางในระดับนาโนเมตรสำหรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ คุณสมบัตินี้ทำให้จัดการได้ยาก

ดังนั้นทีมวิจัยจึงใช้ DNA สังเคราะห์ที่สั้น

ในบทความวิจัยได้ใช้ DNA สังเคราะห์ที่มีความยาว 22 เบสซึ่งรวมอนุภาคนาโนเงิน

DNA ที่สั้นสามารถออกแบบความยาว ลำดับเบส และโครงสร้างโมเลกุลให้ตรงตามวัตถุประสงค์ได้ง่าย

กล่าวคือ DNA ถูกมองว่าเป็น

"สิ่งที่สกัดจากสิ่งมีชีวิตมาใช้"

ไม่ใช่

"วัสดุนาโนที่ออกแบบบนคอมพิวเตอร์และผลิตให้มีคุณสมบัติที่ต้องการ"

ที่ใช้ในครั้งนี้

นอกจากนี้ ทีมวิจัยยังได้เพิ่มอนุภาคนาโนเงินเข้าไปใน DNA นี้

ซึ่งเรียกว่าการเติมสาร

ด้วยวิธีนี้ พวกเขาสามารถปรับคุณสมบัติทางไฟฟ้าของชั้น DNA และใช้เป็นเส้นทางการไหลของอิเล็กตรอนได้

และเมื่อรวม DNA สังเคราะห์ที่มีอนุภาคนาโนเงินเข้ากับเพอรอฟสไกต์ที่มีโครงสร้างกึ่งสองมิติ

เพอรอฟสไกต์เป็นวัสดุที่ได้รับความสนใจในเซลล์แสงอาทิตย์ แต่เนื่องจากสามารถควบคุมคุณสมบัติทางไฟฟ้าได้ จึงถูกวิจัยเป็นวัสดุหน่วยความจำยุคหน้า

ที่น่าสนใจคือ ไม่สามารถได้ประสิทธิภาพเดียวกันจากการใช้เพียง DNA หรือเพอรอฟสไกต์เพียงอย่างเดียว

การรวมวัสดุที่แตกต่างกันสองชนิดนี้ทำให้เกิดเส้นทางกระแสไฟฟ้าที่เสถียรและคุณสมบัติการจดจำ

นี่คืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบ "ไบโอ-ไฮบริด" อย่างแท้จริง

สิ่งที่พัฒนาขึ้นคือ "เมมริสเตอร์"

อุปกรณ์ที่วิจัยในครั้งนี้เรียกว่า "เมมริสเตอร์"

ชื่อที่ผสมระหว่าง Memory และ Resistor ซึ่งในภาษาไทยแปลว่า "ตัวต้านทานที่จดจำได้"

ตัวต้านทานปกติเป็นส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่กำหนดว่ากระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านมากน้อยเพียงใด

ในขณะที่เมมริสเตอร์สามารถเปลี่ยนสถานะความต้านทานตามกระแสไฟฟ้าที่เคยไหลผ่าน และสามารถรักษาสถานะนั้นได้

กล่าวคือ ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์เองสามารถ "จดจำสัญญาณไฟฟ้าที่เคยได้รับ"

นี่คือเหตุผลสำคัญที่นักวิจัย AI ให้ความสนใจ

ในคอมพิวเตอร์ทั่วไปในปัจจุบัน โปรเซสเซอร์ที่ทำหน้าที่คำนวณและหน่วยความจำที่เก็บข้อมูลแยกออกจากกัน

เมื่อ CPU หรือ GPU คำนวณ

จะต้องอ่านข้อมูลจากหน่วยความจำ
↓
ส่งไปยังโปรเซสเซอร์
↓
ทำการคำนวณ
↓
ส่งผลลัพธ์กลับไปยังหน่วยความจำ

กระบวนการนี้เกิดขึ้นซ้ำหลายครั้ง

เมื่อมีการคำนวณ AI จำนวนมาก งาน "ขนส่งข้อมูล" นี้เองที่ใช้เวลาและพลังงาน

เมมริสเตอร์สามารถทำการจดจำและคำนวณในที่ใกล้เคียงหรือในองค์ประกอบเดียวกันได้

นี่คือเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ยุคหน้าที่เรียกว่า "อินเมมโมรี่คอมพิวติ้ง" หรือ "นิวโรมอร์ฟิกคอมพิวติ้ง"

แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า 0.1 โวลต์

ตัวเลขที่ได้รับความสนใจในงานวิจัยนี้คือ "ต่ำกว่า 0.1V"

ตามบทความวิจัย เมมริสเตอร์ที่พัฒนาขึ้นสามารถเปลี่ยนสถานะความต้านทานด้วยแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า 0.1V

นอกจากนี้ ทีมวิจัยยังรายงานความหนาแน่นพลังงานต่ำที่ 0.01W/cm²

ในการทดสอบความทนทาน แสดงการทำงานประมาณ 1000 รอบ และความแตกต่างทางไฟฟ้าระหว่างสถานะ ON และ OFF เกิน 100,000 เท่า

ยังคงรักษาอัตราส่วน ON/OFF สูงเป็นเวลากว่า 6 สัปดาห์ในสภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิห้องและบรรยากาศ

ในอุปกรณ์เพอรอฟสไกต์ ความเสถียรเป็นปัญหาใหญ่ ดังนั้นการที่ "เพิ่ม DNA เพื่อปรับปรุงทั้งประสิทธิภาพและความเสถียร" เป็นส่วนสำคัญของงานวิจัยนี้

ตามการประกาศของมหาวิทยาลัย อธิบายว่าใช้พลังงานน้อยกว่าเทคโนโลยีเดิมถึง "100 เท่า" ซึ่งได้รับการรายงานอย่างกว้างขวางผ่าน ScienceDaily

อย่างไรก็ตาม ควรอ่านอย่างระมัดระวัง

ในประกาศของมหาวิทยาลัยเดียวกัน มีการกล่าวว่า "สามารถทำหน้าที่หน่วยความจำเทียบเท่าด้วยพลังงานเพียง 1 ใน 10"

นอกจากนี้ ในบทคัดย่อของบทความวิจัยที่ผ่านการตรวจสอบจากผู้ทรงคุณวุฒิ แสดงผลการวัดของอุปกรณ์ที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า 0.1V ความหนาแน่นพลังงาน 0.01W/cm² ความทนทาน และคุณสมบัติการเก็บรักษา

ดังนั้น การตีความว่า "สามารถลดพลังงานของ SSD หรือ DRAM ในปัจจุบันลง 100 เท่า" อาจยังเร็วเกินไป

ตัวเลข "100 เท่า" ควรถูกมองว่าเป็นค่าการเปรียบเทียบที่แสดงถึงผลกระทบของงานวิจัย และควรพิจารณาว่าเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีใดและภายใต้เงื่อนไขใด

ทำไมถึงเข้ากันได้ดีกับ AI

เหตุผลที่งานวิจัยนี้ไม่ได้เป็นเพียงเรื่องของหน่วยความจำใหม่คือการเข้ากันได้กับ AI

ปัจจุบัน AI ใช้เครือข่ายประสาทเทียมอย่างกว้างขวาง

เครือข่ายประสาทเทียมได้รับแรงบันดาลใจจากวงจรประสาทของสมอง แต่ชิป AI ที่ใช้กันในปัจจุบันไม่ได้คำนวณในวิธีเดียวกับสมองมนุษย์

ในสมอง ซินแนปส์ซึ่งเป็นจุดเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ประสาทมีบทบาทในการประมวลผลข้อมูลและการจดจำ

ในขณะที่ในคอมพิวเตอร์ทั่วไป หน่วยความจำและหน่วยประมวลผลแยกออกจากกัน

ดังนั้น นิวโรมอร์ฟิกคอมพิวติ้งจึงถูกวิจัย

หากมองค่าความต้านทานของเมมริสเตอร์เป็น "ความแข็งแรงของการเชื่อมต่อ" ของซินแนปส์เทียม ก็อาจทำให้สามารถดำเนินการคำนวณเมทริกซ์ขนาดใหญ่บางส่วนได้โดยตรงในหน่วยความจำ

สิ่งที่สำคัญคือการใช้พลังงาน

หากเพิ่มซินแนปส์เทียมเป็นล้านหรือพันล้าน และแต่ละตัวต้องการพลังงานมาก ก็จะไม่สามารถใช้งานได้จริง

นี่คือเหตุผลที่เมมริสเตอร์ DNA-เพอรอฟสไกต์ที่สามารถเปลี่ยนสถานะด้วยแรงดันไฟฟ้าต่ำมากได้รับความสนใจ

ในอนาคต

AI Accelerator
Edge AI
เซ็นเซอร์อัตโนมัติ
หุ่นยนต์
อุปกรณ์สวมใส่
โปรเซสเซอร์นิวโรมอร์ฟิก

และอื่น ๆ อาจนำไปใช้ในอุปกรณ์ที่ต้องการประมวลผลข้อมูลจำนวนมากด้วยพลังงานที่จำกัด

"เพราะเป็น DNA จึงสามารถเก็บข้อมูลจำนวนมาก" ไม่ถูกต้องนัก

ควรพูดถึงส่วนที่อาจเข้าใจผิดในข่าวนี้

"DNA สามารถเก็บข้อมูลได้ 215 ล้าน GB ต่อกรัม"

และ

"เมมริสเตอร์ DNA ที่สร้างขึ้นในครั้งนี้"

การเชื่อมโยงกันโดยตรงว่า

"เซมิคอนดักเตอร์ที่สามารถเก็บข้อมูลได้ 215 ล้าน GB ต่อกรัมได้ถูกสร้างขึ้น"

ไม่ถูกต้อง

ใน DNA Storage ข้อมูลดิจิทัลถูกเขียนลงในลำดับเบส A, T, G,