ยิ่งเล็ก ยิ่งแรง: ทำไมชิปคอมพิวเตอร์ถึงทรงพลังขึ้นเมื่อมีขนาดเล็กลง?

ในโลกของชิปคอมพิวเตอร์ ตัวเลขที่มากกว่ามักจะดีกว่า ไม่ว่าจะเป็นจำนวนคอร์ที่มากขึ้น ความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่สูงขึ้น หรือพลังการประมวลผลที่แรงขึ้น แต่มีตัวชี้วัดหนึ่งในวงการเซมิคอนดักเตอร์ที่กลับกัน นั่นคือ “ยิ่งเล็กยิ่งดี” นั่นคือ Process Node หรือเทคโนโลยีกระบวนการผลิตชิปที่วัดเป็นหน่วยนาโนเมตร

Process Node คืออะไร และทำไมถึงสำคัญ

เดิมที Process Node หมายถึงขนาดช่องว่างที่เล็กที่สุดระหว่างส่วนต่างๆ ของทรานซิสเตอร์ แต่ปัจจุบันกลายเป็นคำทางการตลาดมากกว่า โดยผู้ผลิตแต่ละรายใช้คำนี้อธิบายด้านต่างๆ ของชิป อย่างไรก็ตาม Process Node ที่เล็กลงจากผู้ผลิตเดียวกันยังคงเป็นที่ต้องการอย่างมาก

เหตุผลก็คือ ยิ่งชิ้นส่วนเล็กลง เวลาในการเปลี่ยนสถานะก็สั้นลง สัญญาณไฟฟ้าเดินทางได้เร็วขึ้น และใช้พลังงานน้อยลง ชิปขนาดเล็กสามารถบรรจุทรานซิสเตอร์ได้มากขึ้น ทำงานได้เร็วขึ้น และสร้างความร้อนน้อยลง

​

ตัวอย่างเห็นได้จาก CPU Intel สามรุ่น: Celeron 2006 (65nm), Pentium M 2004 (90nm) และ Pentium 1995 (350nm) ชิปรุ่น 1995 มีชิ้นส่วนใหญ่กว่าชิปรุ่น 2004 ถึง 5 เท่า และมีทรานซิสเตอร์เพียง 3 ล้านตัว เทียบกับ 290 ล้านตัวในรุ่นใหม่ สิ่งที่น่าสนใจคือ Celeron สร้างความร้อนเพียง 30W แม้จะมีทรานซิสเตอร์มากกว่าเกือบ 100 เท่า เทียบกับ Pentium ที่สร้างความร้อน 12W

เทคนิค Photolithography

หัวใจของการผลิตชิปคือกระบวนการที่เรียกว่า Photolithography ซึ่งใช้แสงส่องผ่าน Photomask (หน้ากากที่บังแสงในบางส่วน) แล้วฉายลงบนชิปเพื่อกำหนดตำแหน่งของส่วนประกอบต่างๆ คล้ายกับการเอกซ์เรย์มือที่กระดูกบังรังสีและเนื้อเยื่ออ่อนปล่อยรังสีผ่าน

แต่กระบวนการนี้ไม่ได้ใช้แสงธรรมดา เพราะแม้แต่ชิปรุ่นเก่าอย่าง Pentium ก็ยังมีชิ้นส่วนเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นได้ (380-750 นาโนเมตร) แสงที่มองเห็นได้เป็นเพียงส่วนเล็กๆ ของสเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งรวมถึงคลื่นวิทยุ ไมโครเวฟ รังสีเอกซ์ และอื่นๆ

EUV: แสงที่เล็กพอสำหรับชิปยุคใหม่

เพื่อสร้างชิ้นส่วนที่เล็กกว่าแสงธรรมดา ผู้ผลิตอย่าง Intel, TSMC และ GlobalFoundries จึงใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เรียกว่า EUV (Extreme Ultraviolet) ซึ่งมีความยาวคลื่นประมาณ 13.5 นาโนเมตร ความยาวคลื่นที่สั้นกว่าไม่เพียงช่วยให้สร้างชิ้นส่วนเล็กลงได้ แต่ยังเพิ่มคุณภาพโดยรวม และทำให้ชิ้นส่วนอยู่ใกล้กันมากขึ้น ช่วยลดขนาดชิปทั้งหมด

TSMC ได้พัฒนา Process Node ที่เล็กลงเรื่อยๆ (7nm, 5nm, 3nm) และผลิตชิปให้ลูกค้ารายใหญ่อย่าง Apple, MediaTek, Qualcomm, Nvidia และ AMD ปัจจุบันชิ้นส่วนเล็กที่สุดมีขนาดเพียง 6 นาโนเมตร ซึ่งแคบกว่าอะตอมซิลิคอน 10 ตัวเท่านั้น เมื่อพิจารณาว่าอะตอมซิลิคอนมีขนาดประมาณ 0.1 นาโนเมตร และอยู่ห่างกันประมาณ 0.5 นาโนเมตร

อนาคตที่เล็กกว่า: 2 นาโนเมตร และ Chiplets

ในปี 2025 ผู้ผลิตชิปรายใหญ่อย่าง TSMC, Samsung และ Intel สามารถผลิตชิปที่ระดับ 3 นาโนเมตรได้ในปริมาณมาก และกำลังมุ่งหน้าสู่ระดับ 2 นาโนเมตรและเล็กกว่านั้น แต่ยิ่งเล็กลงเท่าไหร่ ความท้าทายและต้นทุนก็ยิ่งสูงขึ้นเป็นทวีคูณ

เพื่อรับมือกับความท้าทายนี้ อุตสาหกรรมได้พัฒนาสถาปัตยกรรมใหม่ที่เรียกว่า “Chiplets” ขึ้นมาแทนที่จะสร้างชิปขนาดใหญ่เพียงชิ้นเดียว (Monolithic) สถาปัตยกรรมแบบ Chiplets จะเป็นการนำชิปขนาดเล็กๆ หลายชิ้น (ที่อาจผลิตจากคนละเทคโนโลยี) มาเชื่อมต่อกันบนแผงวงจรเดียว วิธีนี้ช่วยเพิ่มอัตราการผลิตที่สำเร็จ (Yield) ลดต้นทุน และเพิ่มความยืดหยุ่นในการออกแบบได้อย่างมาก ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดคือซีพียู Ryzen ของ AMD ที่ใช้สถาปัตยกรรม Chiplets จนประสบความสำเร็จอย่างงดงาม

ที่มา