วิวัฒนาการเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์: จาก Moore’s Law สู่ Chiplet
การพัฒนาอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมามีความเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับ กฎของมัวร์ (Moore’s Law) ซึ่งเป็นแนวคิดสำคัญที่มีอิทธิพลต่อทิศทางการพัฒนาเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์และเทคโนโลยีดิจิทัล โดย Gordon Moore ได้เสนอข้อสังเกตในปี ค.ศ. 1965 ว่า จำนวนทรานซิสเตอร์บนวงจรรวม (Integrated Circuit: IC) มีแนวโน้มเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าในช่วงเวลาประมาณสองปี การเพิ่มจำนวนทรานซิสเตอร์ภายใต้พื้นที่ของชิปที่ใกล้เคียงเดิมช่วยเพิ่มขีดความสามารถในการประมวลผล ทำให้ชิปรองรับการคำนวณที่มีความซับซ้อนมากขึ้น มีสมรรถนะสูงขึ้น และมีประสิทธิภาพด้านการใช้พลังงานดีขึ้น
จำนวนบริษัทที่สามารถพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ตาม Technology Node ต่าง ๆ
ที่มา: ปรับปรุงจาก Yole อ้างใน Rubenfeld (2024)
การพัฒนาเทคโนโลยีของเซมิคอนดักเตอร์ดำเนินไปตามกฎของมัวร์อย่างต่อเนื่อง แต่ยิ่งพัฒนามากยิ่งบริษัทที่มีความสามารถระดับสูงยิ่งลดลง โดยในช่วงต้นทศวรรษ 2000 ยังมีบริษัทเซมิคอนดักเตอร์จำนวนมากที่สามารถแข่งขันในช่วงเทคโนโลยีระดับ 130 นาโนเมตร ระหว่างปี ค.ศ. 2002-2003 มีผู้ผลิตที่สามารถแข่งขันในเทคโนโลยีดังกล่าวประมาณ 26 ราย เมื่ออุตสาหกรรมพัฒนาไปสู่กระบวนการผลิตที่มีขนาดเล็กลง ตั้งแต่ระดับ 28 นาโนเมตร 14 นาโนเมตร ไปจนถึง 7 นาโนเมตรและต่ำกว่า จำนวนบริษัทที่สามารถพัฒนาและลงทุนในเทคโนโลยีดังกล่าวกลับลดลงอย่างต่อเนื่อง ด้วยข้อจำกัดด้านการพัฒนาเทคโนโลยีกระบวนการผลิตในและการใช้เงินลงทุนสูง ดังนี้
- การเพิ่มจำนวนและความหนาแน่นของทรานซิสเตอร์ทำให้ ความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้า (Power Density) และความต้องการด้านการจัดการความร้อนเพิ่มสูงขึ้น โดยเฉพาะในชิปสมรรถนะสูง
- ต้นทุนในการพัฒนาและผลิตชิปด้วยกระบวนการขั้นสูงเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ โดยเฉพาะการลงทุนในเครื่องมือและกระบวนการผลิตที่มีความซับซ้อน เช่น Extreme Ultraviolet (EUV) Lithography
- ผลประโยชน์ที่ได้รับจากการย่อขนาดทรานซิสเตอร์แต่ละรุ่นมีแนวโน้มลดลงเมื่อเทียบกับต้นทุนและความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้น หรือเกิดภาวะ ผลตอบแทนส่วนเพิ่มที่ลดลง (Diminishing Returns)
ข้อจำกัดดังกล่าวนำไปสู่การปรับเปลี่ยนแนวทางการพัฒนาอุตสาหกรรม จากการมุ่งเน้น “More Moore” ซึ่งอาศัยการเพิ่มความหนาแน่นของทรานซิสเตอร์เป็นหลัก หรือย่อขนาดของทรานซิสเตอร์ให้ชิปมีขนาดเล็กลง และรวมฟังก์ชันต่าง ๆ ไว้ในชิปเดียวกัน ไปสู่แนวคิด “More than Moore” ที่ให้ความสำคัญกับการเพิ่มสมรรถนะในระดับระบบผ่านการบูรณาการอุปกรณ์ ฟังก์ชัน และเทคโนโลยีที่มีคุณลักษณะแตกต่างกันเข้าด้วยกัน ที่เรียกว่า สถาปัตยกรรมชิปเล็ต (Chiplet Architecture) ควบคู่กับ เทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง (Advanced Packaging)
โดย Chiplet เป็นการผสานการทำงานของชิปชิ้นเล็ก ๆ ที่มีหน้าที่ต่างกันให้รวมกันเป็นระบบภายในแพคเกจเดียวกัน เช่น การรวมกันของชิปประมวลผล ชิปหน่วยความจำ ชิปจัดการพลังงาน และชิปสัญญาณคลื่นความถี่วิทยุ แนวทางดังกล่าวทำให้ Advanced Packaging จึงมีบทบาทเปลี่ยนแปลงจากการเป็นเพียงขั้นตอนส่วนปลายของกระบวนการผลิต (Back-end Process) กลายเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีสำคัญที่ทำให้สามารถผสานรวมชิปต่าง ๆ ให้สามารถทำงานร่วมกันได้ สามารถเพิ่มประสิทธิภาพของการเชื่อมต่อระหว่างชิป การเพิ่มความหนาแน่นของการเชื่อมต่อ และการลดระยะห่างระหว่างจุดเชื่อมต่อ (Interconnect Pitch) เพื่อให้ชิปแต่ละส่วนสามารถแลกเปลี่ยนข้อมูลได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งเป็นการทำให้องค์ประกอบเซมิคอนดักเตอร์ที่แตกต่างกันสามารถเชื่อมต่อและทำงานร่วมกันได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น
การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวมีความสำคัญต่อการพัฒนาระบบประมวลผลสมัยใหม่ที่ต้องการทั้งสมรรถนะสูง แบนด์วิดท์ในการรับส่งข้อมูลสูง และประสิทธิภาพด้านพลังงาน โดยเฉพาะการประมวลผลสำหรับปัญญาประดิษฐ์ (Artificial Intelligence: AI) ศูนย์ข้อมูล (Data Center) การประมวลผลสมรรถนะสูง (High-Performance Computing: HPC) ยานยนต์อัจฉริยะ ตลอดจนเทคโนโลยีอุปกรณ์ทางการแพทย์ (Medical Devices) ซึ่งอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ และอุตสาหกรรมปลายทางเหล่านี้ล้วนเป็นเป้าหมายเพื่อสร้างขีดความสามารถในการแข่งขัน และสร้างความสามารถในการพึ่งพาตนเองของนานาประเทศ
เอกสารอ้างอิง
imec. (n.d.). Moore’s law: A bold prediction that became the tech industry’s North star. https://www.imec-int.com/en/what-we-offer/semiconductor-education-and-workforce-development/microchips/moores-law
Hunat, C., Gaur, N., & Zuber, P. (2026, June 23). When does it make sense to move from a monolithic ASIC to a chiplet-based design? imec. https://www.imec-int.com/en/articles/when-does-it-make-sense-move-monolithic-asic-chiplet-based-design
Rubenfeld, C. (2024, Sep 20). The semiconductor industry is consolidating. Substack. https://charlesrubenfeld.substack.com/i/149122074/1-the-semiconductor-industry-is-consolidating