กฎของมัวร์ (Moore's Law)

            หากกฎของมัวร์เป็นจริงคอมพิวเตอร์จากอดีตสู่ปัจจุบันจะก้าวไปอย่างไรในปี พ.ศ. 2490 วิลเลียมชอคเลย์และกลุ่มเพื่อนนักวิจัยที่สถาบัน เบลแล็ป ได้คิดค้นสิ่งที่สำคัญและเป็นประโยชน์ต่อชาวโลกมาก เป็นการเริ่มต้นก้าวเข้าสู่ยุคอิเล็กทรอนิคส์ที่เรียกว่า โซลิดสเตทเขาได้ตั้งชื่อสิ่งที ่ประดิษฐ์ขึ้นมาว่า "ทรานซิสเตอร์" แนวคิดในขณะนั้นต้องการควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้า ซึ่งสามารถทำได้ดีด้วยหลอดสูญญากาศแต่หลอดมี ขนาดใหญ่เทอะทะใช้กำลังงานไฟฟ้ามากทรานซิสเตอร์จึงเป็นอุปกรณ์ที่นำมาแทนหลอดสูญญากาศได้เป็นอย่างดีทำให้เกิดอุตสาหกรรมสาร กึ่งตัวนำตามมา และก้าวหน้าขึ้นเป็นลำดับ

พ.ศ. 2508 อุตสาหกรรมผลิตอุปกรณ์สารกึ่งตัวได้แพร่หลาย มีบริษัทผู้ผลิตทรานซิสเตอร์จำนวนมากการประยุกต์ใช้งานวงจรอิเล็กทรอนิกส์  กว้างขวางขึ้น มีการนำมาใช้ในเครื่องจักร อุปกรณ์ต่าง ๆ ตั้งแต่ของใช้ในบ้าน จึงถึงในโรงงานอุตสาหกรรม

กอร์ดอน มัวร์ (Gordon E. Moore)ผู้อำนวยการวิจัยและพัฒนาของบริษัทแฟร์ซายด์เซมิคอนดัคเตอร์เป็นผู้อยู่ในวงการวิจัยและพัฒนา ผลิตภัณฑ์ และการค้นคว้า ทางด้านสารกึ่งตัวนำ ต่อมาเขาได้เป็นผู้บุกเบิกและร่วมสร้างบริษัทอินเทลจนมีชื่อเสียงโด่งดังและประสบผลสำเร็จ การผลิตและการค้นคว้าทางด้านสารกึ่งตัวนำส่วนใหญ่ของแฟร์ซายด์จะอยู่ในการดำเนินการของมัวร์เขาได้คลุกคลีกับเทคโนโลยีมาอย่าง ต่อเนื่อง และยาวนานจากการสังเกตและคาด คะเน แนวโน้มทางเทคโนโนโลยีของมัวร์ในที่สุดเขาได้ตั้งกฎของมัวร์ (Moore's Law) จนเป็นที่ยอมรับ และทำให้การคาดคะเนอนาคตได้ใกล้เคียง ความเป็นจริง

 ทฤษฎีของมัวร์ได้กล่าวไว้ว่าความก้าวหน้าของเทคโนโลยีและความซับซ้อนของเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอรืทำให้สามารถผลิต     ไอซีที่มี ความหนาแน่นไดด้เป็นสองเท่าทุก ๆ ช่วงระยะเวลาหนึ่ง เขาได้ทำการพล็อตกราฟแบบสเกลล็อกให้ดูจากอดีตและพบว่าเป็นเช่นนั้นจริง นอกจากนี้ความก้าวหน้าอื่น ๆ อีกหลายอย่างก็เป็นไปตามกฎของมัวร์ด้วยเช่นกัน

การสร้างทรานซิสเตอร์มีพัฒนาการมาอย่างต่อเนื่อง บริษัท แฟร์ซายด์ เซมิคอนดัคเตอร์เป็นบริษัทแรกที่เริ่มใช้เทคโนโลยีการผลิต ทรานซิสเตอร์แบบ    planar หรือเจือสารเข้าทางแนวราบ เทคโนโลยีนี้เป็นต้นแบบของการสร้างไอซีในเวลาต่อมา จากหลักฐานที่กล่าวอ้างไว้พบว่า บริษัทแฟร์ซายด์ได้ผลิตพลาน่าทรานซิสเตอร์ตั้งแต่ประมาณปี พ.ศ. 2502 และบริษัทเท็กซัสอินสตรูเมนต์ได้ผลิตไอซีได้ในเวลาต่อมา และกอร์ดอนมัวร์ก็ได้กล่าวไว้ว่า จุดเริ่มต้นของกฎของมัวร์เริ่มต้นจากการเริ่มมีพลาน่าทรานซิสเตอร์

กอร์ดอน มัวร์ เป็นผู้ร่วมก่อตั้งบริษัทอินเทล ได้ใช้หลักการสังเกตตั้งกฎของมัวร์ (Moore’s law) ขึ้น ซึ่งเขาบันทึกไว้ว่า ปริมาณของทรานซิสเตอร์บนวงจรรวม จะเพิ่มเป็นเท่าตัวทุกสองปี และมีผู้นำกฎนี้มาใช้กับ eCommerce ดังนี้
กำลัง (หรือ ความจุ หรือ ความเร็ว) ของสิ่งต่อไปนี้เพิ่มขึ้นสองเท่าทุกๆ 18 เดือน
1. ความเร็ว Computer Processor
2. แบนด์วิธการสื่อสารและโทรคมนาคม
3. หน่วยความจำของคอมพิวเตอร์
4. ความจุฮาร์ดดิสก์

    

                กฎของมัวร์ (Moore’s Law)

                                     
กฎของมัวร์ (Moore’s law) อธิบายโดย กอร์ดอน มัวร์ (Gordon Moore) อดีตซีอีโอและผู้ร่วมก่อตั้งบริษัทอินเทลกล่าวถึง ปริมาณของทรานซิสเตอร์บนวงจรรวม จะเพิ่มเป็นเท่าตัวทุกสองปี
                                          

                                                                                                                

                                                  

                                     

                                                           

 
                                                  




                            ลักษณะการผลิตไอซี


                พลาน่าทรานซิสเตอร์เป็นการผลิตทรานซิสเตอร์โดยใช้แผ่นหน้ากากที่เรียกว่า  มาสก์   โดยกระบวนการโฟโตกราฟิกที่พิมพ์ลงบนผิวซิลิกอนแล้วทำการเจือสารด้วยวิธีการแพร่ส่รเจือปนลงไปในเนื้อของซิลิกอนทำให้เกิดเป็นรอยต่อ  p และ n  เกิดเป้นคุณสมบัติทรานซิสเตอร์ได้

การสร้างทรานซิสเตอร์แบบนี้ทำได้ง่ายแต่มีข้อแม้คือทรานซิสเตอร์จะไม่สามารถให้กระแสได้สูงซึ่งการนำแผงทรานซิสเตอร์ที่สร้างบนผิวพื้นเดียวกันต้องการให้ไอของโลหะเป็นฟิมล์บางๆเชื่อมต่อเพื่อนำกระแสระหว่างกันโดยมีชั้นของซิลิกอนไดออกไซด์ซึ่งเป็นฉนวนตัวกั้นทำให้ได้วงจงไอซี  พัฒนาการของไอซีทำให้เกิดการรวมอุปกรณ์เข้าไว้ในแผ่นซิลิกอนอยู่บนผิวหน้าเดียวกันได้  แผ่นซิลิกอนนี้นำมาจากการผลิตซิลิกอนให้บริสุทธิ์แล้วทำให้เป็นแผ่นบางๆเรียกว่า  เวอเฟอร์  นำแผ่นเวเฟอร์นี้มาเจือสารให้เป็นวงจรไอซีต่อไปด้วยเทคโนโลยีสมัยใหม่ที่ทำใหเแผ่นหน้ากากมีความละเอียดได้มากประจวบกับเทคโนโลยีทางภาพถ่ายได้ก้าวหน้าขึ้น  แผ่นหน้ากากจึงทำได้คมและมีรายละเอียดที่เล็กมากได้  การเจือสารก็ใช้วิธีผิวอนุภาคของสารเจือปนเข้าไปยังแผ่นโดยตรงทำให้เทคนิคของการสร้างวงจรไอซีทำได้ดีขึ้นเรื่อยๆ

                                             

กฎของมัวร์ที่เคยมีข้อจำกัดฟื้นคืนชีพอีกครั้งหนึ่งแล้ว เมื่อนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยไรซ์และมหาวิทยาลัยแห่งมลรัฐนอร์ธแคโรไลน่าได้ค้นพบวิธีการใหม่ในการเติมโมเลกุลเข้าไปในสารกึ่งตัวนำชนิดซิลิกอนได้แล้ว ซึ่งจะช่วยให้ผู้ผลิตสามารถพัฒนาไมโครโปรเซสเซอร์ให้เล็กลงและมีประสิทธิภาพมากขึ้น และเป็นการก้าวพ้นขีดจำกัดของกฎของมัวร์ได้แล้ว

กฎของมัวร์นั้นเคยใช้ได้กับช่วงแรกเริ่มพัฒนาไมโครโปรเซสเซอร์ โดยกอร์ดอน มัวร์ ผู้ร่วมก่อตั้งบริษัทอินเทลได้กล่าวไว้ในปี 1965 ว่า จำนวนของทรานซิสเตรอ์ที่บรรลุได้ในวงจรรวมวงจรหนึ่งจะเพิ่มขึ้นเป็น 2 เท่าในระยะเวลา 18 เดือน แต่ในช่วงหลังๆนี้ กฎของมัวร์กลับไม่สามารถใช้ได้ เนื่องจากมีข้อจำกัดบางอย่างเกิดขึ้นแล้ว และแม้แต่มัวร์เองก็เคยบอกเอาไว้ว่ากฎนี้ก็ไม่ใช่ว่าจะใช้ได้อย่างไม่จำกัดเช่นกัน

"สิ่งที่ท้าทายนักวิทยาศาสตร์รุ่นใหม่คือการก้าวข้ามขีดจำกัดในการ'โดป'ซิลิกอนให้ได้ โดยการโดปนี้เป้นกระบวนการที่จำเป็นต่อการสร้างซิลิกอนให้กลายมาเป็นหัวใจหลักของวงจรรวมสมัยใหม่ได้" ศาสตราจารย์เจมส์ ทัวร์ ศาสตราจารย์ด้านเคมี,วิศวกรเครื่องกล,นักวิทยาศาสตร์วัสดุและคอมพิวเตอร์แห่งมหาวิทยาลัยไรซ์กล่าว

การโดปนี้จะนำสารเจือปนเติมเข้าไปยังผลึกซิลิกอนบริสุทธิ์เพื่อให้ซิลิกอนนั้นมีคุณสมบัตินำประจุไฟฟ้าได้ตามที่ต้องการ โดยจะใช้อะตอมของธาตุโบรอน, อาร์ซินิค หรือฟอสฟอรัส เติมลงไปในสัดส่วน 1 : 100 ล้านส่วนของซิลิกอน

แต่เมื่อผู้ผลิตใส่ทรานซิสเตอร์เข้าไปในวงจรรวมมากขึ้นเพื่อให้วงจรมีขนาดเล็กลง  การโดปนี้ก็เกิดปัญหาขึ้นจนได้

"ถ้าทำให้ซิลิกอนเล็กลงจริงๆจนถึงระดับนาโนแล้ว จะได้โครงสร้างที่มีปริมาตรเล็กมากแต่มีประสิทธิภาพมาก จะทำอย่างนั้นได้จะต้องใส่อะตอมของสารเจือปนเข้าไปในซิลิกอนเพื่อให้มันทำงานเป็นสารกึ่งตัวนำ แต่ตอนนี้ ยิ่งพยายามทำให้เล็กเท่าไหร่ก็จะยิ่งทำให้สารที่ได้ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน อุปกรณ์ชิ้นหนึ่งอาจจะมีอะตอมของสารเจือปืนมากกว่าอีกชิ้นหนึ่งก็ได้ และความไม่สม่ำเสมอนี้แหละที่จะเป็นปัญหา"

บริษัทผู้ผลิตพยายามจะใส่อุปกรณ์(ทรานซิสเตอร์)ลงไปในชิปตัวเดียวราวๆ 1,000 ล้านตัว โดยจะใหทุกตัวทำงานได้แบบเดียวกัน แต่เมื่อต้องการทำวงจรขนาดเล็กที่มีความกว้าง 45 นาโนเมตรนั้นกลับมีปัญหาอย่างมาก เปรียบเทียบง่ายๆคือเล็กกว่าเส้นผมมนุษย์ที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 100,000 นาโนเมตรมากมายนัก

แต่จากงานวิจัยชิ้นนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบทางออกแล้ว คือแทนที่จะนำสารเจือปนนั้นไปผสม ก็จะใช้วิธีเคลือบที่ผิวของซิลิกอนแทน แต่ยังทำให้ซิลิกอนทำงานได้แบบเดียวกับการโดปลงไป และยังทำงานในระดับนาโนเมตรได้มีประสิทธิภาพดีกว่าอีกด้วย

"เราเรียกว่าซิลิกอนที่ผ่านการ Afterburner แล้ว เราจะใส่ชั้นพิเศษที่เป็นชั้นของโมเลกุลเข้าไปอีกชั้นหนึ่งบริเวณพื้นผิว วิธีการนี้ไม่ใช่การโดปแบบที่ใช้กับการเติมสารเจือปน แต่ก็สามารถทำงานแบบเดียวกันอย่างมีประสิทธิภาพ" ศ.ทัวร์ กล่าว

ศ.ทัวร์ยังได้บอกอีกด้วยว่า ก่อนหน้านี้หลายปีที่นักวิทยาศาสตร์พยายามหาบางสิ่งมาแทนที่ซิลิกอนเพื่อการพัฒนาคอมพิวเตอร์ระดับโมเลกุลให้ได้ ซึ่ง ศ.ทัวร์มองว่าไม่คุ้มเอาซะเลย

"บางทีมันก็ยากนะที่จะแข่งกับอะไรที่มีค่าเป็นล้านล้านดอลล่าร์ และมีคนเป็นล้านลงทุนกับมัน ฉะนั้นเราจึงตัดสินใจที่จะพัฒนาให้มันสมบูรณ์แบบ แทนที่จะไปแทนที่มัน"

ศ.ทัวร์คาดหวังว่าวงการอุตสาหกรรมจะหันมาสนใจกระบวนการของเขานี้ ซึ่งต่อไปอาจจะนำโมเลกุลของคาร์บอนมาสร้างพันธะกับซิลิกอนด้วยก็ได้

"เรื่องนี้น่าจะมีประโยชน์ต่อวงการอุตสาหกรรมซิลิกอนนะ เราอยากจะเข้าไปในโรงงานแล้วพูดว่า 'ให้เราช่วยทำให้งานของคุณอยู่กับคุณไปนานๆเถอะ ให้เราช่วยทำสิ่งที่คุณมีอยู่ให้สมบูรณ์เถอะ' "

"ผมว่าอินเทล, ไมครอน และก็ซัมซุงน่าจะกำลังสนใจอยู่นะ ผมรับประกันได้เลยว่าพวกเขาจะต้องลองนำวิธีนี้ไปใช้ดูแน่นอน"

แปลจาก : http://www.sciencedaily.com/releases/2009/07/090723113700.htm

          พัฒนาการคอมพิวเตอร์ อดีต ปัจจุบัน อนาคต


         หากอุตสาหกรรมสารกึ่งตัวนำเป็นไปตามกฎของมัวร์ พีซีในปี ค.ศ. 2050 จะมีขีดความสามารถเชิงการคำนวณได้สูงถึง 10 ยกกำลัง 18 MIPS หรือประมาณพันของพันล้านคำสั่งต่อวินาที และมีหน่วยความจำภายในเครื่องมหาศาล นักวิจัยแห่งมหาวิทยาลัยเมเนโซต้า ได้ประกาศว่า เขาสามารถ ทำการเก็บอิเล็กตรอนหนึ่งตัวไว้ในสารกึ่งตัวนำขนาด 7 ตารางนาโนเมตร ซึ่งจะทำให้หน่วยความจำมีความหนาแน่นได้ถึง 10 ยกกำลัง 15 ไบต์ บนพื้นที่ 1 ตารางเซนติเมตรได้ ถ้าเหตุการณ์นี้ทำได้ในอีกสองสามปีข้างหน้า นั่นหมายถึงเราได้เร่งระยะเวลาไปข้างหน้าได้ถึง 30 ปี

ยุคสมัยของการใช้คอมพิวเตอร์บนพื้นฐานของการพัฒนาสารกึ่งตัวนำก็เริ่มก้าวหน้าอย่างเห็นได้ชัด หากย้อนไปในปี ค.ศ. 1951 ซึ่งถือได้ว่า เป็นยุคเริ่มต้น เครื่องคอมพิวเตอร์สมัยนั้นคงเทียบได้ยากกับเครื่องในปัจจุบันโดยเฉพาะการพัฒนายังเน้นให้ใช้ง่าย มียูสเซอร์อินเทอร์เฟสที่ดี มีการ เชื่อมโยงการทำงานร่วมกันเป็นเครือข่าย

                  กฎของมัวร์จะเป็นไปได้หรือ?

                จากความก้าวหน้าของการพัฒนาสารกึ่งตัวนำที่รวดเร็ว พัฒนาทางด้านคอมพิวเตอร์จะไม่ถึงขีดจำกัดบ้างหรือ คำถามนี้เป็นคำถาม ที่หลายคนตั้ง

อย่างไรก็ดี หากพิจารณาถึงความเป็นจริง ทุกสิ่งทุกอย่างไม่อยู่กับที่ กฎของมัวร์ก็เช่นกัน คงไม่ใช่เป็นกฎแบบอยู่กับที่ กฎของมัวร์ก็เช่นกัน คงไม่ใช่เป็นกฎแบบอยู่กับที่ แต่จะเปลี่ยนแปลงกับสภาพกาลเวลาด้วย

แต่ด้วยความสามารถของมนุษย์ในการคิดค้นต่าง ๆ จึงเชื่อมั่นว่าเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์และเครือข่ายยังมีหนทางที่พัฒนาไปได้อีกมาก

มนุษย์กับไซเบอร์สเปซ และคนกับหุ่นยนต์ ที่อยู่ร่วมกันจะได้เห็นอย่างแน่นอน

เอกสารอ้างอิง

Rebert R Schller "Moore's Law : Past, Present, and Futrue. IEEE Spectrum, June 1997, Vol 34 No 6 pp.53-59