Các nhà nghiên cứu tại Penn State đã phát triển một chip có thể tự vận hành bằng năng lượng thu từ ánh sáng xung quanh, đồng thời phát hiện hóa chất và xử lý tín hiệu. Công nghệ này được kỳ vọng phù hợp với các thiết bị IoT và điện toán biên hoạt động ở môi trường khó tiếp cận, nơi việc thay hoặc sạc pin gặp nhiều hạn chế.

Theo TechRadar ngày 13/7 (giờ địa phương), nhóm nghiên cứu tại Đại học Bang Pennsylvania, Mỹ, đã chế tạo một mạch tích hợp tự cấp nguồn, có khả năng vừa cảm biến vừa tính toán mà không cần nguồn điện ngoài.

Điểm đáng chú ý của nghiên cứu nằm ở cách tích hợp theo chiều dọc. Thay vì tách riêng cảm biến, mạch tính toán và bộ phận cấp nguồn thành nhiều chip như thiết kế truyền thống, nhóm đã xếp chồng ba khối chức năng này trong cùng một chip.

Cách tiếp cận này giúp gom các chức năng vào một cấu trúc duy nhất, thay vì ghép nhiều die bán dẫn riêng biệt. Nhờ đó, chip có thể giảm diện tích, rút ngắn các đường liên kết nội bộ, qua đó hạn chế thất thoát điện năng và độ trễ tín hiệu.

Chip được thiết kế theo cấu trúc ba lớp. Lớp trên cùng là cảm biến dựa trên graphene, có nhiệm vụ phát hiện hóa chất trong chất lỏng và chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện. Lớp giữa là mạch logic bán dẫn dùng để xử lý tín hiệu từ cảm biến. Lớp dưới cùng là pin mặt trời silicon, chuyển ánh sáng xung quanh thành điện năng để cấp cho toàn bộ hệ thống.

Để xây dựng cấu trúc này, nhóm nghiên cứu đã tích hợp các vật liệu bán dẫn hai chiều như molybdenum disulfide (MoS2), tungsten selenide (WSe2), cùng với graphene và pin mặt trời silicon trong một cấu trúc 3D.

Đồng tác giả Saptarshi Das, giáo sư tại Đại học Bang Pennsylvania, cho biết nhóm đã kết hợp silicon, graphene, MoS2 và WSe2 trong cùng một kiến trúc 3D để đồng thời đảm nhiệm ba chức năng: cảm biến, tính toán và thu năng lượng. Theo ông, khác biệt lớn nhất là ba chức năng này không còn nằm trên các chip rời được kết nối với nhau, mà được đặt sát nhau ở cấp độ nanomet.

Nhóm nghiên cứu cho rằng việc tích hợp các chức năng trên cùng một chip không chỉ giúp thu nhỏ kích thước thiết bị, mà còn nâng hiệu quả năng lượng nhờ rút ngắn các đường liên kết và giảm độ trễ tín hiệu. Giáo sư Das nói thêm rằng khi cảm biến, khối tính toán và bộ phận thu năng lượng được dồn về quy mô nano, diện tích chip và chiều dài kết nối đều có thể giảm đáng kể.

Nghiên cứu thu hút chú ý trong bối cảnh thị trường IoT và điện toán biên tiếp tục mở rộng. Với các cảm biến từ xa hoặc thiết bị IoT công nghiệp đặt tại khu vực khó tiếp cận, việc thay hoặc sạc pin thường không dễ dàng. Vì vậy, các công nghệ bán dẫn tiêu thụ điện thấp và có thể hoạt động lâu dài mà không cần nguồn cấp ngoài đang trở thành một hướng phát triển quan trọng.

Theo nhóm nghiên cứu, chip hiện mới ở quy mô mạch nhỏ, được tối ưu cho các mục đích cụ thể. Dù vậy, kết quả này vẫn cho thấy tiềm năng phát triển các thiết bị điện tử không pin trong tương lai.

Trong bối cảnh mối quan tâm đối với thiết bị điện tử không pin sử dụng năng lượng tái tạo ngày càng tăng, nhóm cho rằng thiết kế tích hợp cảm biến, khối tính toán và nguồn điện trên cùng một mạch có thể mở rộng sang nhiều ứng dụng khác nhau. Về dài hạn, cấu trúc này có thể được áp dụng cho các mạch phức tạp hơn hoặc thiết bị IoT từ xa.

Tuy nhiên, công nghệ này chưa thể sớm thay thế các bộ xử lý phổ thông. Nhóm nghiên cứu dự báo các ứng dụng ban đầu nhiều khả năng sẽ tập trung vào những mạch siêu nhỏ, tiêu thụ điện cực thấp và các hệ thống IoT triển khai tại môi trường khó thay pin.

Khi thiết bị AI và IoT ngày càng phổ biến, nhu cầu về các loại chip vừa tiết kiệm điện vừa có thể vận hành tự chủ trong thời gian dài được dự báo sẽ tăng lên. Vì vậy, hướng nghiên cứu này đang được theo dõi như một nền tảng tiềm năng cho thế hệ mạch tích hợp tự cấp nguồn tiếp theo.