ไมโครชิปที่ความละเอียด 7nm กับอนาคตของ processor เมื่อมาถึงจุดสุดท้ายของ Moore's law

ชิป A12 bionic ที่มีความละเอียดขนาด 7nm (https://www.cnet.com/news/iphone-xs-a12-bionic-chip-is-industry-first-7nm-cpu/) ถูกพูดถึงพร้อมกับการเปิดตัว iPhone รุ่นใหม่เมื่อวันพุธ(12 ก.ย. 61)ที่ผ่านมานี้ ในเชิงของการใช้งานนั้นผู้ใช้อาจจะไม่รู้สึกตื่นเต้นกับฟังก์ชั่นของโปรดักส์ที่เปิดตัวซักเท่าไหร่ แต่ในทางเทคนิคแล้วเจ้าตัวชิปดังกล่าวเป็นเทคโนโลยีทีทันสมัยที่สุดในตอนนี้สำหรับ smartphone และอาจถือได้ว่าเป็นหัวเลี้ยวหัวต่อของเทคโนโลยี processor หรือไมโครชิปเพื่อก้าวไปสู้รูปแบบชิปและการประมวลผลรูปแบบใหม่ๆ ก่อนอื่นบทความนี้จะมาขยายความให้ผู้อ่านได้เข้าใจถึงความหมายของขนาด 7nm ในตัวชิปก่อน แล้วเราจะมาตามรอยการพัฒนาของไมโครชิปตลอดระยะเวลากว่า 40 ปีที่ผ่านมาด้วย Moore’s law และสุดท้ายเราจะมาคาดการณ์กันว่าเทคโนโลยี processor จะก้าวไปทางไหนต่อไปเมื่อขณะนี้เราอยู่ที่จุดสุดท้ายของ Moore’s law

สิ่งแรกที่เราต้องรู้สำหรับตัว processor นั้นก็คือองค์ประกอบพื้นฐาน processor นั้นประกอบไปด้วย transistor (ทรานซิสเตอร์)ที่ทำหน้าที่เป็นสวิซเปิดปิดวงจร และด้วยการเปิดปิดนี้นำไปสู้การประมวลผลแบบดิจิตอลในระบบเลขฐานสอง (1 และ 0 เรียกว่า Bit) โดยการทำงานของตัวทรานซิสเตอร์ประกอบเข้าด้วยกันเราจึงสามารถประมวณผลสิ่งต่างๆได้ เมื่อทรานซิสเตอร์บนตัวไมโครชิปมากขึ้นยิ่งทำให้การประมวลผลต่างๆเป็นไปได้อย่างรวดเร็วขึ้น และเพราะขนาดของชิปถูกจำกัดเพื่อให้สามารถบรรจุอยู่ภายในอุปกรณ์ต่างๆได้ เจ้าตัวทรานซิสเตอร์นั้นจึงต้องมีขนาดที่เล็กลง และขนาด 7nm ก็เป็ดขีดสุดของความละเอียดของทรานซิสเตอร์ในเวลานี้

แล้วขนาด nm นั้นเล็กแค่ไหน? มันเล็กกว่าเส้นผมของคนเราที่มีขนาดที่100ไมครอนเป็นพันเท่าเลยทีเดียว

แต่ด้วยขนาดที่เล็กในระดับ nm การควบคุมกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านของทรานซิสเตอร์นั้นก็ยิ่งเป็นความท้าทายที่มากขึ้น เพราะในสเกลที่เล็กขนาดนี้สิ่งต่างๆจะเกิดขึ้นบนพื้นฐานของ Quantum mechanic ซึ่งถือเป็นข้อจำกัดทางฟิสิกส์ของตัว processor และด้วยข้อจำกัดทางด้าน Quantum mechanic นี้เองที่ทำให้เทคโนโลยี processor มาถึงจุดหัวเลี้ยวหัวต่อสำคัญซึ่งเป็นจุดปลายสุดของ Moore’s law

รูปภาพที่ 1 กราฟแสดงอัตราการเพิ่มขึ้นของศักยภาพของอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ตามแบบจำลอง Moore’s law

Moore’s law คือ roadmap ที่วงการอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์ใช้กันเพื่อการคาดการณ์รูปแบบเทคโนโลยี processor ที่จะเกิดขึ้น Moore’s law ถูกจัดทำขึ้นในช่วงยุค 1970s ซึ่งเป็นยุคเริ่มต้นของอุตสาหกรรมนี้ โดย Moore’s law คาดการณ์ไว้ว่าจำนวนของทรานซิสเตอร์บนไมโครชิปนั้นจะเพิ่มขึ้นเป็นเท่าตัวทุกๆสองปี หรืออีกความหมายหนึ่งคือความเร็วของการประมวลผลนั้นจะมีศักยภาพมากขึ้นทุกๆสองปีนั้นเอง เรียกได้ว่าเป็นโมเดลที่ถูกใช้เพื่อรันวงการเลยก็ว่าได้ เนื่องจากอุตสาหกรรมนี้จะประสบความสำเร็จได้ก็ด้วยการร่วมมือกันของผู้ผลิตชิ้นส่วนต่างๆเพื่อพัฒนาคอมพิวเตอร์ ดังนั้นแล้วการที่มี Moore’s law ก็เป็นเหมือนเป้าหมายร่วมที่ทุกคนในวงการจะสามารถก้าวไปพร้อมๆกันได้

อย่างไรก็ตามการพัฒนา microprocessor นี้ใช่ว่าจะเป็นไปตาม roadmap ตลอดเพราะระหว่างทางก็มีปัญหาทางด้านเทคนิคให้ผู้พัฒนาหาทางแก้ไขบ้าง ปัญหาแรกที่ผู้พัฒนาเจอเมื่อขนาดของทรานซิสเตอร์เริ่มเล็กกว่า 90 nm คือความร้อนของ processor จากการที่ทรานซิสเตอร์จำนวนมากนั้นถูกอัดเข้ามาอยู่บนตัวไมโครชิปและการทำงานที่รวดเร็วขึ้นของระบบประมวณผล แน่นอนว่าการทำงานของทรานซิสเตอร์แต่ละตัวจะก่อให้เกิดความร้อนขึ้น และเมื่อรวมกันเข้าความร้อนนี้ก็ส่งผลทำให้เกิดความเสียหายต่ออุปกรณ์ ผู้พัฒนาจึงได้จำกัดความเร็วของ processor ไว้ไม่ให้เร็วจนเกิดความเสียหาย นอกจากนี้ยังมีการควบรวบระบบประมวลผลหรือ core ของ processor โดยให้การประมวลผลเป็นแบบคู่ขนานอย่างที่เรารู้จักกันในชื่อ Dual core, Quad core, ฯลฯ

ปัญหาที่นักพัฒนากำลังเพชิญอยู่ขณะนี้มีความท้าทายที่สูงขึ้น ด้วย Quantum mechanic ทำให้การทำงานของทรานซิสเตอร์ในรูปแบบเดิมนั้นเป็นไปไม่ได้อีกต่อไป นี้จึงเป็นที่มาของจุดสิ้นสุดของ Moore’s law หนึ่งในแนวทางการพัฒนา processor จึงเป็นการปรับเปลี่ยนรูปแบบโครงสร้างการประมวลผลโดยการนำเทคโนโลยี Quantum computing เข้ามาใช้งาน และด้วย Quantum computing นี้รูปแบบการประมวลผลที่อยู่บนระบบเลขฐานสองด้วย bit จะกลายเป็น qubit หรือ Quantum bit ซึ่งมีความซับซ้อนมากขึ้น แต่อย่างไรก็ตามเทคโนโลยีนี้ยังคงอยู่ในขั้นทดลองและวิจัย และความเป็นไปได้ที่จะมีอุปกรณ์พกพาที่มาพร้อมกับ Quantum computing นั้นก็ยังคงห่างไกลกับความเป็นจริงอยู่พอสมควร

อ้างอิง: https://www.nature.com/news/the-chips-are-down-for-moore-s-law-1.19338