ข้ามไปยังเนื้อหาหลัก

ทำไมสถาปัตยกรรม - ลวดลายซิลิกอนที่เล็กลงทำให้กินไฟและความร้อนลดลง

11 ก.พ. 684 นาที11 ก.พ. 68

7 นาโนเมตร 4 นาโนเมตร 3 นาโนเมตร ขนาดที่เล็กลงของทรานซิสเตอร์บนวงจรสำเร็จรูปคือเรื่องที่มักถูกหยิบยกขึ้นมาพูดคุยกันอย่างสม่ำเสมอ ซึ่งอย่างที่เข้าใจกันว่ายิ่งเล็กมันก็ควรจะยิ่งดี ทั้งกินไฟน้อย ร้อนน้อยลง และแรงยิ่งขึ้น

ขนาดตัวอักษร

7 นาโนเมตร 4 นาโนเมตร 3 นาโนเมตร ขนาดที่เล็กลงของทรานซิสเตอร์บนวงจรสำเร็จรูปคือเรื่องที่มักถูกหยิบยกขึ้นมาพูดคุยกันอย่างสม่ำเสมอ ซึ่งอย่างที่เข้าใจกันว่ายิ่งเล็กมันก็ควรจะยิ่งดี ทั้งกินไฟน้อย ร้อนน้อยลง และแรงยิ่งขึ้น แต่ทำไมถึงเป็นเช่นนั้น หาคำตอบได้ในบทความนี้

สถาปัตยกรรม (Architecture) และกระบวนการสร้างลวดลาย (Lithography) ที่ทำให้ทรานซิสเตอร์ (Transistor) และสายไฟภายในวงจรเล็กลง ส่งผลต่อปริมาณการบริโภคพลังงานและความร้อนของวงจรรวมลดลง อีกทั้งยังเพิ่มผลผลิต (Yield) ได้อีกด้วย เพราะเมื่อขนาดของชิปเล็กลง ก็สามารถเพิ่มจำนวนชิปบนแผ่นซิลิกอนเวเฟอร์ได้ นั่นทำให้บริษัทด้านเซมิคอนดักเตอร์แข่งขันกันลดขนาดของกระบวนการสร้างลวดลาย

ภาพพิมพ์ลวดลายของแผงวงจรเพื่อใช้ในการสร้างเงาของลวดลายบนแผ่นซิลิกอน ใช้ประกอบการพิมพ์ลายวงจรความแม่นยำสูง ภาพจาก Peellden

แล้วทำไมการที่ขนาดของทรานซิสเตอร์เล็กลง ทำให้ปริมาณการบริโภคไฟฟ้าน้อยลง และการสร้างความร้อนของชิปก็น้อยลงตามไปด้วย นั่นเป็นเพราะว่า ทรานซิสเตอร์ของวงจรดิจิทัลอย่าง CPU มีการกำหนดค่าการเปิดและปิดของประตู (Gate) ที่ความต่างศักย์ 3.3 หรือ 5 โวลต์ ไม่ว่าทรานซิสเตอร์จะมีขนาดที่เล็กหรือใหญ่แค่ไหนค่าเปิดและปิดของประตูก็จะมีค่ากำหนดที่เท่าเดิมเสมอ แต่เมื่อประตูมีขนาดเล็กลง แรงที่ใช้ในการเปิดประตูก็ย่อมน้อยลงตามไปด้วย กระแสไฟฟ้า (Current) ที่เปรียบเสมือนแรงที่ใช้ผลักประตูก็ย่อมน้อยลง พลังงาน ที่ใช้ในการเปิดประตูก็น้อยลงตามไปด้วย

ภาพวาดจำลองและอธิบายโครงสร้างของเทคโนโลยี FinFET ที่ขึ้นรูปทรานซิสเตอร์แบบ 3 มิติและทำให้จำนวนทรานซิสเตอร์ต่อพื้นที่เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยยะสำคัญ ภาพจาก Д.Ильин

การที่ขนาดของทรานซิสเตอร์ที่เล็กลงนั้นหมายถึงเส้นทางที่กระแสไฟฟ้าต้องวิ่งลดลง ความต้านทานของทรานซิสเตอร์ก็น้อยลง พลังงานไฟฟ้าที่ใช้ก็เลยลดลงไปด้วย และการวาดลวดลายที่เล็กลงก็หมายถึงสายไฟที่เส้นเล็กลง เมื่อสายไฟเส้นเล็กลง ความต้านทานไฟฟ้าภายในสายไฟก็น้อยลง กระแสที่วิ่งผ่านสายไฟก็น้อยลง ความร้อนที่ออกมาจากสายไฟก็เลยน้อยลงตามไปอีก

แม้ว่าการวาดลวดลายจะทำให้คุณสมบัติทางไฟฟ้าของวงจรรวมดีขึ้นได้ แต่ไม่ได้หมายความว่าชิปรุ่นใหม่ ๆ เช่น CPU รุ่นใหม่ที่เกิดมาจากสถาปัตยกรรมและการวาดลวดลายที่เล็กลงจะปล่อยความร้อนที่น้อยลงกว่ารุ่นเก่าเสมอไป เพราะความต้องการของผู้บริโภคที่ต้องการคอมพิวเตอร์ที่มีพลังในการประมวลผลที่มากขึ้นก็หมายความว่าภายในชิปหนึ่งตัวต้องมีจำนวนทรานซิสเตอร์ที่เพิ่มมากขึ้น ความร้อนและปริมาณการใช้ไฟฟ้าที่เกิดจากการปิดและเปิดของทรานซิสเตอร์และสายไฟก็จึงเพิ่มขึ้นเป็นเงาตามตัว

รูปผลิตภัณฑ์ที่สร้างจากกระบวนการสร้างลวดลายที่ความละเอียด 7 นาโนเมตรและเทคโนโลยี FinFET ของ TSMC ภาพจาก TSMC

ยกตัวอย่างเช่น Intel Core i7 2700K CPU สถาปัตยกรรม 32 นาโนเมตร ของ intel เมื่อปี 2011 มีปริมาณการบริโภคไฟฟ้าและสร้างความร้อนที่ 95 วัตต์ แต่ Intel Core i7 14700K CPU สถาปัตยกรรม 7 นาโนเมตรของ intel ในปี 2024 กลับมีปริมาณการบริโภคไฟฟ้าและสร้างร้อนความพื้นฐานที่ 125 วัตต์ และสามารถเพิ่มสูงสุดได้มากถึง 253 วัตต์ จะเห็นได้ว่าแม้ CPU รุ่นใหม่กว่าจะใช้เทคโนโลยีการสร้างลวดลายที่เล็กกว่าแต่ก็ไม่ได้หมายความว่าปริมาณการใช้ไฟฟ้าและสร้างความร้อนน้อยลงเสมอไป

แต่ทำไมก็ยังเห็นว่า CPU หรือหน่วยประมวลผลรวมบางส่วนสามารถลดการบริโภคไฟฟ้าและลดการสร้างความร้อนแต่มอบพลังการประมวลผลที่มากขึ้นได้ ความแตกต่างนี้อยู่ที่สถาปัตยกรรมและการออกแบบวงจรที่มีความซับซ้อนและความละเอียดสูง เช่น CPU ที่มีจำนวนทรานซิสเตอร์บนชิปที่เท่ากันสองตัว แต่ตัวหนึ่งใช้สถาปัตยกรรมแบบ x86-64 ย่อมมีปริมาณการใช้ไฟฟ้าที่มากกว่า CPU ที่ใช้สถาปัตยกรรมแบบ ARM แต่สิ่งนี้ก็เป็นสิ่งที่ไม่แน่เสมอไปเสียทีเดียวด้วยเช่นกัน เห็นได้จากการที่ Intel Core Ultra มีอัตราการบริโภคไฟฟ้าและสร้างความร้อนที่น้อยลงกว่าสถาปัตยกรรมของ Intel Core i ที่เป็นตระกูลก่อนหน้าได้มากพอสมควร

แผนภูมิแสดงความสามารถในการลดขนาดของเทคโนโลยีจากขนาดไมครอนลดเหลือเพียง 3 นาโนเมตรได้ในระยะเวลาเพียงแค่ 35 ปีหลังจากการก่อตั้งของ TSMC ภาพจาก TSMC

ดังนั้นการเพิ่มขีดความสามารถในการวาดลวดลายวงจรให้มีขนาดที่เล็กลงและการปรับปรุงสถาปัตยกรรมของวงจรรวมคือหัวใจสำคัญของการลดปริมาณการบริโภคไฟฟ้าและสร้างความร้อนของหน่วยประมวลผล แต่ถึงกระนั้นจำนวนทรานซิสเตอร์ที่อัดแน่นภายในชิปก็เป็นตัวแปรที่สร้างความร้อนในชิปที่สำคัญ ดังนั้นหากโลกยังต้องการคอมพิวเตอร์ที่มีศักยภาพในการประมวลผลที่มากขึ้นและมากขึ้น ขีดจำกัดของการลดขนาดของทรานซิสเตอร์และปรับปรุงสถาปัตยกรรมก็อาจจะถึงทางตัน และอาจจะต้องหันไปพึ่งพาหน่วยประมวลผลที่ใช้สารกึ่งตัวนำชนิดอื่น เช่น แกลเนียมไนเตรต หรือเปลี่ยนฟิสิกส์ที่เป็นพื้นฐานของการประมวลผล เช่น หน่วยประมวลผลด้วยแสง (Optical Computing) หรือ ควอนตัมคอมพิวเตอร์ เพื่อหลีกเลี่ยงขีดจำกัดด้านความร้อนและคุณสมบัติทางควอนตัมที่เกิดจากการลดขนาดทรานซิสเตอร์ที่กำลังเกิดขึ้นอยู่ ณ ขณะนี้

เรียบเรียงโดย จิรสิน อัศวกุล
พิสูจน์อักษร ศุภกิจ พัฒนพิฑูรย์


อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS  

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech

เขียนโดย

🌎 "รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก" ไปกับ Thai PBS Sci & Tech • วิทยาศาสตร์ • เทคโนโลยี นวัตกรรม • ดาราศาสตร์ • Media Literacy • Cyber Security • Tips & Tricks • Trends

บทความที่เกี่ยวข้อง

หากถึงทางตัน อะไรจะเป็นเทคโนโลยีประมวลผลต่อจากเซมิคอนดักเตอร์เทคโนโลยี

หากถึงทางตัน อะไรจะเป็นเทคโนโลยีประมวลผลต่อจากเซมิคอนดักเตอร์

7 นาโนเมตร 3 นาโนเมตร 1 นาโนเมตร ขณะนี้เทคโนโลยีการวาดลวดลายบนซิลิกอนกำลังมาถึงทางตัน เมื่อความกว้างของทรานซิสเตอร์เหลือเพียงไม่กี่สิบอะตอมซิลิกอน แล้วเทคโนโลยีอะไรจะเป็นเทคโนโลยีถัดไปเพื่อใช้การประมวลผลแบบดิจิทัล

03 มี.ค. 68|03 มี.ค. 68
อ่านต่อ →
ทำไม ? “ซิลิโคน” ถึงนิ่ม ทั้งที่ซิลิกาอื่น ๆ ไม่นิ่มวิทยาศาสตร์

ทำไม ? “ซิลิโคน” ถึงนิ่ม ทั้งที่ซิลิกาอื่น ๆ ไม่นิ่ม

ซิลิโคน (Silicone) วัสดุนุ่มนิ่มที่เราคุ้นชินและใช้งานกันในชีวิตประจำวันกันอยู่ทั่วไปนั้นเป็นสิ่งที่น่าประหลาด เนื่องจากเมื่อเราดูโครงสร้างทางเคมีแล้ว ซิลิโคนนั้นมีธาตุสำคัญคือซิลิคอนอยู่ในพันธะโมเลกุลด้วย ทั้งที่ซิลิคอน (Silicon)

25 พ.ย. 67|25 พ.ย. 67
อ่านต่อ →
หมอตัวจิ๋วในร่างกาย ส่องการพัฒนาหุ่นยนต์จิ๋ว สู่การรักษาโรคร้ายในอนาคตเทคโนโลยี

หมอตัวจิ๋วในร่างกาย ส่องการพัฒนาหุ่นยนต์จิ๋ว สู่การรักษาโรคร้ายในอนาคต

ในยุคสมัยปัจจุบันการแพทย์แบบเฉพาะจุด (Precision Medicine) กำลังจะทำให้เรื่องที่ดูไกลตัวอย่างหุ่นยนต์ซ่อมแซมร่างกายที่เราเคยเห็นในภาพยนตร์กลายเป็นความจริงขึ้นมา

12 ต.ค. 69|4 ชั่วโมงที่แล้ว
อ่านต่อ →
กรองอากาศด้วยแสง! แผ่นกรองซักได้ ดักอนุภาค 0.3 ไมครอน ช่วยลดขยะจากไส้กรองอากาศวิทยาศาสตร์

กรองอากาศด้วยแสง! แผ่นกรองซักได้ ดักอนุภาค 0.3 ไมครอน ช่วยลดขยะจากไส้กรองอากาศ

12 ต.ค. 69
อ่านต่อ →
เปิด “วิทยาศาสตร์แห่งอำนาจ : ศาสตร์นอกห้องเรียน” ครั้งที่ 2!วิทยาศาสตร์

เปิด “วิทยาศาสตร์แห่งอำนาจ : ศาสตร์นอกห้องเรียน” ครั้งที่ 2!

11 ต.ค. 69
อ่านต่อ →
Meta แบนโฆษณา TikTok บน Facebook และ Instagram ใน 7 ประเทศ รวมไทย มีผลทันที!Social Media

Meta แบนโฆษณา TikTok บน Facebook และ Instagram ใน 7 ประเทศ รวมไทย มีผลทันที!

10 ต.ค. 69
อ่านต่อ →
How to ควรทำอย่างไร? เมื่อมือถือเปียกน้ำ-โทรศัพท์ตกน้ำเทคโนโลยี

How to ควรทำอย่างไร? เมื่อมือถือเปียกน้ำ-โทรศัพท์ตกน้ำ

07 ต.ค. 69
อ่านต่อ →
ใช้สัมผัสแทนสายตา! โดรนลงจอดด้วยการเกาะ แทนการใช้กล้อง ช่วยให้จอดได้แม่นยำในที่มืดเทคโนโลยี

ใช้สัมผัสแทนสายตา! โดรนลงจอดด้วยการเกาะ แทนการใช้กล้อง ช่วยให้จอดได้แม่นยำในที่มืด

07 ต.ค. 69
อ่านต่อ →
เสื้อสะท้อนแดด! ผ้าพิมพ์ 3 มิติ ลดอุณหภูมิ 3-6°C พร้อมสร้างไฟฟ้าจากการเคลื่อนไหวเทคโนโลยี

เสื้อสะท้อนแดด! ผ้าพิมพ์ 3 มิติ ลดอุณหภูมิ 3-6°C พร้อมสร้างไฟฟ้าจากการเคลื่อนไหว

07 ต.ค. 69
อ่านต่อ →
สงครามสายลับกับปริศนาการหายไปของชิ้นส่วนเครื่องบินรบ F-35 ในดินแดนของจีนเทคโนโลยี

สงครามสายลับกับปริศนาการหายไปของชิ้นส่วนเครื่องบินรบ F-35 ในดินแดนของจีน

01 ต.ค. 69
อ่านต่อ →
ทำไมในยุคที่มีเทคโนโลยีมากมาย แต่เรายังคงแจ้งเตือนน้ำท่วมไม่ทันอยู่ดีเทคโนโลยี

ทำไมในยุคที่มีเทคโนโลยีมากมาย แต่เรายังคงแจ้งเตือนน้ำท่วมไม่ทันอยู่ดี

30 ก.ย. 69
อ่านต่อ →