数万台のサーバーが集まるデータセンターはサッカー場の数十倍の面積を占める。このデータセンターを手のひらサイズに縮小されればどうなるだろうか。

このような想像が近い将来、現実になるかもしれない。個別原子に直接情報を保存できるという研究結果が出たからだ。これを適用すれば、メモリー素材の容量を現在より画期的に向上させることができる。今後、超集積・超低消費電力人工知能半導体産業にも適用できるとみられる。

イ・ジュンヒ蔚山科学技術院（ＵＮＩＳＴ）エネルギーおよび化学工学部教授チームは、メモリー素子の容量を１０００倍以上向上させることができる酸化ハフニウム（Ｈｆ０２）の新しい機能を見つけるのに成功したと３日、明らかにした。酸化ハフニウムは現在も半導体チップの絶縁体として使用されている。研究チームは、電圧を加えると原子間の相互作用を断つ自然遮蔽膜が形成される現象を利用した。あたかも真空にあるように半導体内に存在する酸素原始４つずつを個別にメモリー素材に応用できることを立証したのだ。

従来のメモリーは約１０００平方ナノメートルあたり１ビット（情報保存最小単位）を保存することができた。現存するメモリーのうち最も大きいフラッシュメモリーの集約度も１平方センチメートルあたり０．１テラビット程度の限界があるという。原子間スプリングのような相互作用で数千個の原子集団（ドメイン）が同時に動くからだ。しかし研究チームはドメインなく０．５ナノメートルにすぎない個別原子４個の束に情報を保存する理論を開発した。電圧をかけると原子間の弾性相互作用が完全に消滅し、原子４個に個別的なビット保存が可能だ。原子を０．５ナノの大きさに切ってもメモリー保存能力は同一で、一般半導体でも単一原子水準のメモリーを具現できることも立証した。イ教授は「個別原子を分裂させない限り、今回発見された理論は現半導体産業の最終集積保存技術になる確率が高い」と明らかにした。

研究チームはフラットエネルギーバンド（ｆｌａｔ　ｅｎｅｒｇｙ　ｂａｎｄ）という物理学理論に注目した。物質に平たい帯がある場合、原子間の弾性相互作用が完全に消えるように見えるという理論だ。これを初めてメモリー物質に適用した。研究チームはこの原理を利用し、半導体内に原子の位置を個別的に制御できることを確認した。

◆「半導体産業の最高の集約工程に…政府・企業の投資が重要」

今回の研究は実用半導体に直接適用できる純粋物理理論という意味がある。商用化される場合、現在５ナノメートル工程の半導体産業が今後０．５ナノメートル工程まで可能になるというのが、研究チームの説明だ。０．１テラビット／平方センチメートルだった平面半導体の集積度を今後５００テラビット／平方センチメートルの集積度まで１０００倍以上高める唯一の素材ということだ。研究チームは「０．５ナノは原子間の概略的な距離であるため、固体を使用する人類が経験できる半導体産業の最高集約工程になるだろう」と述べた。

研究の結果はこの日、国際学術誌サイエンスに掲載された。研究チームは「論文が出版されれば外国との競争が避けられなくなる」とし「迅速な商用化のため政府・企業の投資が必要だ」と述べた。