ทำไมสถาปัตยกรรม - ลวดลายซิลิกอนที่เล็กลงทำให้กินไฟและความร้อนลดลง

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

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

การที่ขนาดของทรานซิสเตอร์ที่เล็กลงนั้นหมายถึงเส้นทางที่กระแสไฟฟ้าต้องวิ่งลดลง ความต้านทานของทรานซิสเตอร์ก็น้อยลง พลังงานไฟฟ้าที่ใช้ก็เลยลดลงไปด้วย และการวาดลวดลายที่เล็กลงก็หมายถึงสายไฟที่เส้นเล็กลง เมื่อสายไฟเส้นเล็กลง ความต้านทานไฟฟ้าภายในสายไฟก็น้อยลง กระแสที่วิ่งผ่านสายไฟก็น้อยลง ความร้อนที่ออกมาจากสายไฟก็เลยน้อยลงตามไปอีก

แม้ว่าการวาดลวดลายจะทำให้คุณสมบัติทางไฟฟ้าของวงจรรวมดีขึ้นได้ แต่ไม่ได้หมายความว่าชิปรุ่นใหม่ ๆ เช่น CPU รุ่นใหม่ที่เกิดมาจากสถาปัตยกรรมและการวาดลวดลายที่เล็กลงจะปล่อยความร้อนที่น้อยลงกว่ารุ่นเก่าเสมอไป เพราะความต้องการของผู้บริโภคที่ต้องการคอมพิวเตอร์ที่มีพลังในการประมวลผลที่มากขึ้นก็หมายความว่าภายในชิปหนึ่งตัวต้องมีจำนวนทรานซิสเตอร์ที่เพิ่มมากขึ้น ความร้อนและปริมาณการใช้ไฟฟ้าที่เกิดจากการปิดและเปิดของทรานซิสเตอร์และสายไฟก็จึงเพิ่มขึ้นเป็นเงาตามตัว

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

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