【Material Gate Inc.】"Chất điện môi đơn phân tử" giúp giảm thiểu điện năng tiêu thụ của bán dẫn. Thách thức của startup hóa học từ Đại học Hiroshima giải cứu kỷ nguyên AI khỏi khủng hoảng năng lượng

Giải quyết sự bùng nổ điện năng của AI bằng sức mạnh vật liệu. Thách thức ứng dụng thực tế chất điện môi đơn phân tử cùng Giáo sư Nishihara của Đại học Hiroshima

Xin kính chào toàn thể quý vị. Tôi là Yuki Nakano, Giám đốc đại diện của Material Gate Inc.

Như đã giới thiệu ở phần đầu, công ty chúng tôi là một startup deep-tech bắt nguồn từ Đại học Hiroshima. Được thành lập vào năm 2023, hiện tại chúng tôi đang ở năm thứ ba hoạt động. Với tư cách là một nhà sản xuất hóa chất, doanh nghiệp chính của chúng tôi là sản xuất và cung cấp vật liệu nano gọi là "chất điện môi đơn phân tử" mà chúng tôi đã nghiên cứu và phát triển. Hiện tại trong vòng seed, chúng tôi đã hoàn thành đợt gọi vốn đầu tiên khoảng một năm trước và đang vận hành hoạt động phát triển cũng như quản lý với số vốn 73 triệu Yên.

Giáo sư Nishihara thuộc Khoa Khoa học, Đại học Hiroshima, là một trong những nhà đồng sáng lập của chúng tôi. Material Gate được thành lập để thương mại hóa một vật liệu rất độc đáo gọi là "chất điện môi đơn phân tử", lĩnh vực mà ông đã công bố các bài báo nghiên cứu cơ bản vào khoảng năm 2017 đến 2018, nhận được những đánh giá học thuật cực kỳ cao.

Ban đầu tôi là một sinh viên (thành viên phòng thí nghiệm nghiên cứu) của Giáo sư Nishihara. Sau khi tốt nghiệp đại học, tôi đã làm việc cho các công ty tư nhân trong khoảng 10 năm để tích lũy kinh nghiệm kinh doanh. Tuy nhiên, với mong muốn phổ biến vật liệu cực kỳ thú vị này từ trường đại học thông qua sức mạnh của kinh doanh mà không để nó bị mai một, tôi đã hợp tác với công nghệ của trường đại học một lần nữa và khởi nghiệp công ty này.

Trong việc bắt đầu kinh doanh, chúng tôi đã nhận được sự hỗ trợ toàn diện từ tỉnh Hiroshima. Bắt đầu với việc được lựa chọn cho dự án "Hiroshima Unicorn 10", chúng tôi đã nhận được sự hỗ trợ và mạng lưới mạnh mẽ từ Tổ chức Thúc đẩy Khởi nghiệp Hiroshima (J-Startup EIGHT) và Ngân hàng Hiroshima (Hirogin), những đơn vị đã chuẩn bị nền tảng cho việc thương mại hóa của chúng tôi. Hiện tại, chúng tôi là một đội ngũ gồm khoảng 15 thành viên, và hầu hết trong số họ là những nhà nghiên cứu và kỹ sư xuất sắc có mối liên hệ với giới học thuật như các trường đại học.

Triết lý doanh nghiệp của chúng tôi là "kiến tạo tương lai bằng sức mạnh của vật liệu". Lịch sử đã chứng minh khả năng cạnh tranh quốc tế của ngành vật liệu và các nhà sản xuất hóa chất Nhật Bản là cực kỳ mạnh mẽ, và các vật liệu xuất sắc luôn là nguồn gốc của sự đổi mới cho các thiết bị và chất bán dẫn. Với trục cốt lõi là thế mạnh của vật liệu, chúng tôi muốn cung cấp các sản phẩm ra thế giới giúp cập nhật ngành công nghiệp bán dẫn và thiết bị điện tử.

Vấn đề xã hội mà chúng tôi đang thử thách giải quyết bằng sức mạnh của vật liệu là "giảm tiêu thụ điện năng của bán dẫn" đi kèm với sự phổ biến nhanh chóng của AI.

Sự phát triển của AI tạo sinh hiện đại và các trung tâm dữ liệu là vô cùng đáng kinh ngạc, nhưng mặt khác, lượng điện năng tiêu thụ để vận hành chúng đang tăng lên theo cấp số nhân, gây lo ngại lớn như một nút thắt cổ chai cho cuộc khủng hoảng năng lượng toàn cầu. Để giảm điện năng trong kỷ nguyên AI, chúng tôi mang đến một bước đột phá thông qua "sức mạnh của vật liệu" thay vì chỉ thiết kế thiết bị hay sửa đổi mạch điện.

Cắt giảm đáng kể điện năng DRAM. Tích hợp vật liệu mới tích điện ở quy mô nano vào chất bán dẫn tiên tiến

Mục tiêu mà chúng tôi đang tập trung vào là giảm điện năng tiêu thụ của "bộ nhớ", thiết bị lưu trữ trong máy tính.

Hiện tại, trong số tất cả các bộ nhớ máy tính trong điện thoại thông minh, PC và máy chủ, loại tiêu thụ nhiều điện năng nhất là "DRAM", được sản xuất bởi các công ty bán dẫn lớn. DRAM là bộ nhớ tốc độ cao, mật độ cao và hiệu suất cao, nhưng nó đòi hỏi dòng điện chạy liên tục (làm mới - refresh) để duy trì thông tin, và lượng điện năng tiêu thụ lớn này là một điểm yếu kỹ thuật của nó.

Vật liệu mới do Material Gate phát triển có tiềm năng cắt giảm đáng kể lượng điện năng tiêu thụ của các bộ nhớ thế hệ tiếp theo như DRAM chỉ bằng cách tích hợp một lượng nhỏ vật liệu này.

Nói một cách đơn giản, chất điện môi đơn phân tử là "vật liệu có khả năng tích trữ (duy trì) điện ở cấp độ phân tử, ở kích thước siêu nhỏ". Bằng cách tích điện, bên trong vật liệu được chia thành các điện tích âm và dương, và bằng cách duy trì trạng thái phân cực này, chúng tôi có thể hiện thực hóa một bộ nhớ (bộ nhớ sắt điện) tiếp tục ghi dữ liệu "0 và 1" ngay cả khi bị cắt điện.

Trên thực tế, nghiên cứu về bộ nhớ sử dụng "chất điện môi" tích điện đã tồn tại từ lâu. Tuy nhiên, các vật liệu truyền thống có một giới hạn vật lý (nút thắt cổ chai) là các đặc tính của chúng (khả năng duy trì điện) bị mất đi khi chúng được chế tạo nhỏ hơn (mỏng hơn), khiến việc tích hợp chúng trên các quy trình bán dẫn siêu mịn, tiên tiến là điều bất khả thi.

Ngược lại, "chất điện môi đơn phân tử" của chúng tôi có đặc tính đáng kinh ngạc là các đặc tính duy trì điện xuất sắc của nó không hề bị suy giảm ngay cả khi được thu nhỏ và làm mỏng đến quy mô nanomet. Đây là giải pháp duy nhất trên thế giới cho phép tích hợp bộ nhớ sắt điện trên các chất bán dẫn mịn tiên tiến. Chất thực tế là một loại bột giống như muối trắng, được sản xuất bằng cách tổng hợp đúng cách các nguyên liệu thô.

Mô hình kinh doanh của chúng tôi giả định việc cung cấp một gói "thiết kế thiết bị và công nghệ gia công chính xác" dưới dạng "cấp phép công nghệ (sở hữu trí tuệ)" cho các nhà sản xuất bán dẫn và thiết bị trên toàn thế giới, bên cạnh việc tự sản xuất và bán vật liệu "chất điện môi đơn phân tử".

Hiện tại, chúng tôi có hai trục kinh doanh.

Một là doanh nghiệp "bộ nhớ bán dẫn", sử dụng các dự án quốc gia để tiến hành nghiên cứu và phát triển dài hạn. Vì bộ nhớ bán dẫn có tác động thị trường cực kỳ lớn nhưng đòi hỏi thời gian để phát triển, chúng tôi đang thúc đẩy thiết kế chung với các nhà sản xuất lớn dưới sự hỗ trợ tài chính mạnh mẽ từ chính phủ.

Hai là doanh nghiệp "tụ điện", có rào cản triển khai kỹ thuật thấp hơn và đang đi trước trong ứng dụng thực tế. Các nhà sản xuất tụ điện và các công ty người dùng đang thử nghiệm các thiết bị sử dụng vật liệu của chúng tôi, và cả hai doanh nghiệp đều tìm thấy sức hút cao trong việc "thu nhỏ đáng kể và giảm điện năng của thiết bị".

Triển khai cấp phép thông qua chiến lược fabless. Tham vọng thay thế toàn bộ thị trường bộ nhớ khổng lồ

Chúng tôi không có ý định tự sở hữu các dây chuyền sản xuất bán dẫn hay phòng sạch khổng lồ, mà hướng tới việc mở rộng kinh doanh thông qua chiến lược "fabless" triệt để.

Điều này là do một startup đơn lẻ không thể sở hữu các dây chuyền sản xuất tương đương với TSMC hay các siêu nhà máy đúc bán dẫn. Chúng tôi sẽ nắm giữ bí quyết tổng hợp vật liệu cốt lõi và hệ thống gói gia công chính xác dưới dạng tài sản hộp đen (bằng sáng chế và giấy phép công nghệ), và giao phó việc sản xuất hàng loạt thiết bị thực tế cho các nhà máy đúc bán dẫn đối tác, từ đó tiếp cận thị trường toàn cầu một cách nhanh chóng và hiệu quả.

Thị trường bộ nhớ là một thị trường siêu khổng lồ trị giá vài nghìn tỷ Yên, điều này là không cần bàn cãi.

Tham vọng của chúng tôi là thay thế tất cả bộ nhớ trên toàn thế giới bằng công nghệ của Material Gate, xóa sổ lượng điện năng tiêu thụ của các máy chủ và thiết bị trong kỷ nguyên AI. Chúng tôi sẽ bắt đầu bằng cách khắc ghi các bước triển khai xã hội từ tụ điện và các khu vực bộ nhớ hạn chế có rào cản kỹ thuật thấp, và tiến vào cốt lõi của bán dẫn một cách đáng tin cậy.

Chúng tôi là một công ty deep-tech thay đổi căn bản cấu trúc thiết bị của thế giới bằng sức mạnh của vật liệu. Chúng tôi rất mong muốn được hợp tác với các công ty đang gặp khó khăn trong việc giảm điện năng thiết bị, cùng các nhà đầu tư và đối tác muốn đẩy nhanh hơn nữa việc phát triển vật liệu của chúng tôi. Xin chân thành cảm ơn.

Hỏi đáp và Phản hồi

Người bình luận (Ông Furuko): Xin cảm ơn ông Nakano vì bài trình bày rất thú vị. Sự gia tăng bùng nổ của các trung tâm dữ liệu và vấn đề tiêu thụ điện năng của AI là những chủ đề mà toàn bộ thế giới công nghiệp đang phải vật lộn hiện nay. Công nghệ của Material Gate, tiếp cận vấn đề này từ lớp vật liệu sâu nhất, sẽ là công nghệ then chốt nắm giữ chìa khóa cho sự bền vững của cơ sở dữ liệu.

Với tư cách là một người có nền tảng khoa học xã hội không quen thuộc với khoa học tự nhiên, liên quan đến vật liệu mới "chất điện môi đơn phân tử" được phát hiện bởi nhà đồng sáng lập Giáo sư Nishihara, công ty nắm giữ loại quyền độc quyền hay tính ưu việt nào? Các nhà sản xuất hóa chất khác có thể tổng hợp và sản xuất các vật liệu tương tự để sao chép các bạn không, hay các bằng sáng chế và hộp đen kỹ thuật được cấu trúc như thế nào?

Ông Nakano: Xin cảm ơn câu hỏi của ông.

Trước hết, liên quan đến các bằng sáng chế cho chính vật liệu (bằng sáng chế cơ bản), ban đầu có một số nhóm bằng sáng chế có ảnh hưởng do Đại học Hiroshima nắm giữ, nhưng hiện tại chúng đã được chuyển giao cho chúng tôi, biến chúng thành "bằng sáng chế do công ty chúng tôi sở hữu 100% độc quyền". Do đó, các công ty khác không thể sử dụng chất đã được cấp bằng sáng chế này một cách hợp pháp nếu không có sự cho phép.

Hơn nữa, tính ưu việt quan trọng mà chúng tôi sở hữu nằm ở "công nghệ gia công ngoại vi" để tích hợp vật liệu đã được cấp bằng sáng chế vào các thiết bị.

Trong bán dẫn, để thực sự sử dụng một vật liệu mới, quy trình sản xuất gồm "làm thế nào để phủ đều vật liệu thành một lớp màng cực mỏng ở quy mô nanomet" và "làm thế nào để khắc màng đó một cách chính xác nhằm để lại các mô hình điện cực và mạch điện cần thiết" là cực kỳ quan trọng.

Đây là một công nghệ sản xuất rất thực tế và tinh vi, khó xây dựng chỉ trong phòng thí nghiệm của trường đại học. Chúng tôi đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho "quy trình gia công màng mỏng chính xác và công nghệ khắc" cho các vật liệu của mình, và chúng tôi cố tình giữ một số điều kiện sản xuất cực kỳ quan trọng, chẳng hạn như tỷ lệ tổng hợp và kiểm soát nhiệt độ, làm "bí quyết bảo mật (hộp đen)" mà không tiết lộ trong các bằng sáng chế. Với sự bảo vệ kép này, chúng tôi xây dựng một rào cản vững chắc chống lại sự gia nhập của các công ty khác.

Người bình luận (Ông Furuko): Tôi hiểu rồi. Các bạn không chỉ sở hữu độc quyền bằng sáng chế cơ bản, mà còn bảo vệ quy trình gia công nó thành các màng mỏng bán dẫn bằng bí quyết và bằng sáng chế ngoại vi. Tôi hiểu rất rõ.

Một điểm khác: vật liệu này được "trích xuất" từ tài nguyên thiên nhiên như kim loại hiếm? Nếu vậy, tôi lo ngại liệu các rủi ro địa chính trị hay giới hạn nguồn cung có cản trở việc mở rộng quy mô. Hay nó được tổng hợp và sản xuất hàng loạt trong phòng thí nghiệm giống như các chất hóa học bình thường?

Ông Nakano: Để kết luận, nó không được trích xuất từ tự nhiên, mà là một chất được sản xuất bằng cách mua các nguyên liệu hóa học được phân phối phổ biến và "tổng hợp" hóa học trong các phòng thí nghiệm và nhà máy.

Do đó, liên quan đến việc thu mua nguyên liệu thô, về mặt lý thuyết là có thể sản xuất và tăng sản lượng không giới hạn.

Tuy nhiên, chúng tôi có sử dụng các chất vô cơ và một số nguyên tố kim loại (khoáng sản được phân loại là kim loại phụ hoặc kim loại hiếm) cho khung của vật liệu. Do đó, mối lo ngại về việc gián tiếp nhận tác động của biến động giá do các quy định xuất khẩu ở các quốc gia cụ thể hoặc tình hình quốc tế (rủi ro địa chính trị) là không bằng không.

Tuy nhiên, bản thân các nguyên tố được sử dụng không phải là kim loại siêu hiếm cực kỳ đặc biệt hay khó kiếm, vì vậy nguy cơ xảy ra sự cố nghiêm trọng làm dừng hoàn toàn chuỗi cung ứng là cực kỳ thấp, và chúng tôi không có mối lo ngại nghiêm trọng nào về hệ thống thu mua cho sản xuất hàng loạt.

Người bình luận (Ông Furuko): Vì nó là một hợp chất, nó có thể được sản xuất hàng loạt bằng cách tổng hợp, và vì nguyên liệu thô là những kim loại phổ biến, nên không có lo ngại nghiêm trọng nào về nguồn cung. Tôi đã yên tâm hơn.

"Chiến lược fabless" được thể hiện ở slide cuối cùng là rất hợp lý. Xây dựng một nhà máy bán dẫn đòi hỏi mức đầu tư vốn khổng lồ, nhưng bằng cách đi theo hướng fabless, các bạn có thể tập trung vào công nghệ cốt lõi và tận dụng năng lực sản xuất hàng loạt khổng lồ của TSMC và các nhà máy đúc lớn khác.

Tôi nghĩ đây là một công nghệ vật liệu tuyệt vời mà Nhật Bản nên tự hào, và nó là giải pháp phù hợp hoàn hảo với kỷ nguyên AI. Tôi rất mong đợi việc mở rộng cấp phép toàn cầu của các bạn. Xin chân thành cảm ơn.

Ông Nakano: Xin chân thành cảm ơn ông.