ดร.เสมอแข จงธรรมานุรักษ์

ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ samerkhj@mtec.or.th

บ ทความ บ

กว่าห้าสิบปีแล้วที่คอมพิวเตอร์ปรากฏโฉมเป็นครั้ งแรกในโลก นับจากวันนั้ นการนำคอมพิวเตอร์และวงจรรวมอิเล็กทรอนิกส์เข้ามาใช้งานก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างใหญ่หลวงต่อระบบประมวลข้อมูลสารสนเทศและรูปแบบการใช้ชีวิตของผู้คน อาทิ การติดต่อสื่อสารผ่านเครือข่ายทางสังคมบนระบบอินเทอร์ เน็ต ปัจจัยที่ทำให้คอมพิวเตอร์เป็นที่นิยมและเข้ามามีบทบาทในชีวิตประจำวันมาจากความสามารถในการประมวลข้อมูลและราคาของคอมพิวเตอร์ที่ผู้บริโภคยินดีจ่ายเมื่อเทียบกับความสามารถและประสิทธิภาพในการทำงานของคอมพิวเตอร์ที่ผู้บริโภคได้รับ ราคาที่ถูกลงและความสามารถที่สูงขึ้นของคอมพิวเตอร์ในปัจจุบันเป็นผลมาจากความสำเร็จในการออกแบบวงจร รวมทั้งการพัฒนาเทคโนโลยีวัสดุแ ล ะก า รผลิ ต ท ร านซิ ส เ ต อ ร์ ซึ่ ง เ ป็ น อุ ป ก รณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เป็นหัวใจในการประมวลข้อมูลในคอมพิวเตอร์ (ทรานซิสเตอร์ทำจากสารกึ่งตัวนำสารได้แก่ ซิลิคอน โดยมีสารฉนวน เช่น ซิลิคอนได-ออกไซด์ เป็ นตั วป้ องกันการลั ดวงจรระหว่ า งทรานซิสเตอร์แต่ละชิ้น ปัจจุบันจึงใช้ซิลิคอนเป็นวัตถุดิบในการทำชิปคอมพิวเตอร์) ทรานซิสเตอร์

ซิลิคอนโฟโทนิกส์ : แสงสำหรับคอมพิวเตอร์แห่งโลกอนาคต

มีหน้าที่ใส่ข้อมูลลงในสัญญาณไฟฟ้าและสามารถขยายรวมถึงจับสัญญาณไฟฟ้าที่ถูกส่งมาได้ ด้วยเทคโนโลยีการผลิตที่ก้าวหน้าทรานซิสเตอร์บนชิปในเพนเทียม 4 ถูกย่อส่วนลงเหลือขนาดเล็กกว่า 130นาโนเมตร และมีจำนวนทรานซิสเตอร์มากกว่าสี่สิบสองล้านตัว ในขณะที่เทคโนโลยีในปัจจุบันสามารถย่อขนาดทรานซิสเตอร์ลงเหลือเพียง 65 นาโนเมตรและสามารถบรรจุทรานซิสเตอร์ได้มากถึงพันล้านตัว การที่ทรานซิสเตอร์มีจำนวนมากและมีขนาดเล็กลงส่งผลดีต่อการเพิ่มความเร็วในการประมวลข้อมูลในทรานซิสเตอร์ เพราะขนาดที่เล็กลงทำให้อิ เ ล็ ก ต ร อ น ใ ช้ เ ว ล า สั้ น ล ง ใ น ก า ร ไ ห ล ผ่ า นทรานซิสเตอร์แต่ละตัว หรือช่วยลดความล่าช้าที่เกิดขึ้นในทรานซิสเตอร์ เมื่อการประมวลผลข้อมูลเสร็จสิ้น ข้อมูลนั้นจะถูกส่งออกไปตามเครือข่ายของเส้นทอ งแดง เพื่ อ ใ ห้ สั ญญาณไฟฟ้ า เ ดิ นท า ง ไปสู่ทรานซิส เตอร์ อี กตั วหนึ่ ง เนื่ อ งจากบนชิปมีทรานซิสเตอร์อยู่เป็นจำนวนมาก เครือข่ายของเส้นทองแดงจึงซับซ้อนตามไปด้วย ภาพถ่ายของเครือข่ายของเส้นทองแดงจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนนิง (ScanningElectronMicroscope)แสดงในภาพที่1

ตลุาคม - ธนัวาคม 2552 M T E C 59

ภาพที่ 1 โครงสร้างของเครือข่ายเส้นทองแดงซ้อนกันแปดชั้นบนชิปของเพนเทียม 4 ภาพถ่ายบนระนาบ (ซ้าย)และภาพถ่ายตัดขวาง (ขวา) โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนนิง

ภาพที่ 2 แนวโน้มที่เกิดขึ้นกับความล่าช้าในการประมวลข้อมูลในคอมพิวเตอร์โดยแบ่งสาเหตุเป็นความล่าช้าในทรานซิสเตอร์ (เกตดีเลย์) และความล่าช้าในการส่งข้อมูลผ่านเครือข่ายสัญญาณไฟฟ้า (อินเตอร์คอนเนกต์ดีเลย์) ขนาดทรานซิสเตอร์เล็กลงทำให้ทรานซิสเตอร์ทำงานรวดเร็วขึ้น ดังนั้นอินเตอร์คอนเนกต์ดีเลย์จึงกลายมาเป็นคอขวดของความเร็วในการทำงานของคอมพิวเตอร์ในปัจจุบันที่ทรานซิสเตอร์มีขนาด 0.13 ไมโครเมตร

การที่เครือข่ายของเส้นทองแดงมีความยาวและซับซ้อนมากนั้นทำให้ความเร็วในภาพรวมของคอมพิวเตอร์ถูกจำกัดโดยความล่าช้าในการเดินทางของสัญญาณไฟฟ้าผ่านเครือข่ายของเส้นทองแดง(ความล่าช้านี้ เรียกว่า อินเตอร์คอนเนกต์ดีเลย์(interconnect delay)) ภาพที่ 2 แสดงให้เห็นว่าอินเตอร์คอนเนกต์ดีเลย์กลายมาเป็นคอขวดที่จำกัด

ความเร็ วสำหรับคอมพิว เตอร์ รุ่ นปัจจุบัน ซึ่ งทรานซิสเตอร์ เล็กกว่ า 200 นาโนเมตร ยิ่ งทรานซิสเตอร์มีขนาดเล็กลงและเพิ่มจำนวนขึ้นปั ญห า ค ว า ม เ ห ลื่ อ ม ล้ ำ ร ะ ห ว่ า ง ค ว า ม เ ร็ ว ที่ทรานซิสเตอร์ทำงานได้กับความเร็วที่ข้อมูลส่งผ่านเส้นทองแดงก็จะยิ่งชัดเจนมากขึ้น

ตลุาคม - ธนัวาคม 2552 M T E C 60

นอกจากนี้ เครือข่ายของเส้นทองแดงและทรานซิสเตอร์ที่มีจำนวนมากเป็นสาเหตุของการใช้พลังงานจำนวนมากและยังสูญเสียพลังงานบางส่วนใ น รู ป ค ว า ม ร้ อ น ที่ เ กิ ด จ า ก ก า ร ท ำ ง า น ข อ งทรานซิสเตอร์และการไหลของไฟฟ้าในเส้นทองแดง(จากสถิติพบว่าชิปในเพนเทียม4ใช้พลังงานสูงถึง75 วัตต์ต่อตารางเซนติเมตร และคาดการณ์ว่าชิปอินเทล อิแทเนียม (Intel Intenium) รุ่นใหม่จะใช้พลังงานมากกว่า 100 วัตต์ต่อตารางเซนติเมตร)เทคโนโลยีที่จะใช้เพื่อเพิ่มความเร็วของการส่งข้อมูลระหว่างทรานซิสเตอร์ในคอมพิวเตอร์จำเป็นต้องพิจารณาถึงการประหยัดพลังงานควบคู่ด้วย คำถามคือ เทคโนโลยีอะไรที่มีศักยภาพในการพัฒนาเพื่อเพิ่มความเร็วในการส่งข้อมูลบนชิปได้ หากเราจะยอ้นมองแนวทางทีร่ะบบสารสนเทศได้รับการพัฒนามานานกว่าหนึ่งศตวรรษ (ภาพที่ 3)พบว่าในระบบสารสนเทศก็มีการเปลี่ยนจากสาย

เคเบิลที่ใช้สัญญาณไฟฟ้าในการส่งข้อมูล (กราฟ )ให้เป็นการส่งข้อมูลด้วยระบบเส้นใยแก้วนำแสง(กราฟ & ) ในช่วงปี 1980 เนื่องจากความต้องการความจุในการส่งผ่านข้อมูลที่เพิ่มขึ้น แต่สายเคเบิลไม่สามารถรองรับความต้องการในเรื่องความจุที่เพิ่มสูงขึ้นได้ ดังนั้นเทคโนโลยีระบบเส้นใยแก้วนำแสงจึงเข้ามาแทนที่สำหรบัการสง่ผา่นขอ้มลูดว้ยความจุตั้งแต่ 10 เมกะบิตกิโลเมตรต่อวินาที เทคโนโลยีระบบเส้นใยแก้วนำแสงที่สามารถส่งข้อมูลด้วยความจุสูงมากนั้นนิยมใช้ในการส่งผ่านข้อมูลในระยะทางไกลๆอาทิการส่งข้อมูลข้ามทวีป เนื่องจากเกิดการสูญเสียข้อมูลระหว่างทางน้อยมาก เพราะอนุภาคโฟตอนของแสงไม่มีประจุจึงไม่มีปฏิสัมพันธ์ระหว่างกันมากนักและสูญเสียพลังงานน้อยกว่าอนุภาคอิเล็กตรอน ด้วยข้อดีเหล่านี้เทคโนโลยีการใช้แสงส่งผ่านข้อมูลในคอมพิวเตอร์จึงเป็นทางเลือกที่น่าสนใจ

ภาพที่ 3 ความสามารถในการจุข้อมูลของเทคโนโลยีรุ่นต่างๆ ที่นำมาใช้ในระบบสื่อสารโทรคมนาคมในอดีตและปัจจุบัน สังเกตว่าเทคโนโลยีที่ใช้แสงส่งผ่านข้อมูลสามารถรองรับความจุสูงๆ ของข้อมูลได้

เทคโนโลยีการใช้แสงส่งผ่านข้อมูลในระบบงานคอมพิวเตอร์ได้ถูกนำมาใช้ในการส่งผ่านข้อมูลระหว่างซีพียู(ภาพที่4)สำหรับส่งผ่านข้อมูลบนชิป

โดยใช้แสงนั้นปัจจุบันเป็นหัวข้องานวิจัยที่ท้าทายและน่าสนใจ ถ้าหากมีการนำอุปกรณ์ที่ใช้แสงเป็นพาหะในการส่งข้อมูลมาสร้างบนชิปในหน่วยประมวลผล

ตลุาคม - ธนัวาคม 2552 M T E C 61

(processor) ได้สำเร็จ การประดิษฐ์นี้จะให้ข้อดีต่างๆอาทิสามารถใช้เทคโนโลยีการผลิตเดียวกันกับเทคโนโลยีที่ใช้ผลิตทรานซิสเตอร์ในไมโครโพรเซส-เซอร์ (ซึ่งทำให้สามารถผลิตได้ครั้งละมากๆ) และตลาดคอมพิวเตอร์ที่รองรับผลิตภัณฑ์ที่เป็นผลผลิตของการรวมกันระหว่างไมโครโพรเซสเซอร์ และอุปกรณ์ส่งข้อมูลที่ใช้แสงบนชิป อย่างไรก็ดี การที่

เทคโนโลยีใหม่นี้จะสามารถเข้ามาในตลาดได้หรือไม่นั้น ขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของเทคโนโลยีใหม่ที่จะสามารถแทนที่เส้นทองแดงที่ใช้ส่งสัญญาณไฟฟ้าบนชิปได้หรือไม่ โดยประสิทธิภาพเหล่านี้คำนึงจากต้นทุนความจุในการส่งข้อมูลการประหยัดพลังงานและขนาดที่เล็กพอที่จะประดิษฐ์ลงบนชิปได้

ภาพที่ 4 อุปกรณ์เชื่อมข้อมูลโดยใช้แสงเป็นพาหะที่นำเข้ามาใช้ในระบบคอมพิวเตอร์

ตลุาคม - ธนัวาคม 2552 M T E C 62

การรวมกันของอิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์บนชิปที่ใช้แสงในการส่งข้อมูล ต้องประกอบด้วยอุปกรณ์หลากหลายชนิดที่แต่ละชนิดสามารถทำหน้าที่ได้แตกต่างกัน(ภาพที่5)เช่น • แหล่งกำเนิดแสงเพื่อส่งข้อมูลบนชิป • อุปกรณ์ใส่ข้อมูลลงในสัญญาณแสง • ท่อนำแสงเดินทางจากจุดหนึ่งไปยังจุดหนึ่งโดยสูญเสียความเข้มของแสงให้น้อยที่สุด • อุปกรณ์ตรวจจับแสงหรือเปลี่ยนสัญญาณแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้า

• การประกอบอุปกรณ์ต่างๆ เข้าด้วยกันบนชิปด้วยราคาที่ไม่แพง • ระบบอัจฉริยะที่ควบคุมการทำงานของอุปกรณ์ การประดิษฐ์วงจรรวมที่ใช้แสงส่งผ่านข้อมูลบนชิป นับว่าเป็นการสร้างสรรค์เทคโนโลยีใหม่ในการสื่อสารระบบสารสนเทศถัดจากระบบเส้นใยแก้วนำแสง

ภาพที่ 5 อุปกรณ์ต่างๆ ที่จำเป็นสำหรับการเชื่อมข้อมูลโดยใช้แสงเป็นพาหะบนชิปซิลิคอน

อย่างไรก็ตาม เราไม่สามารถนำเอาวัสดุที่ใช้ผลิตอุปกรณ์ในระบบสารสนเทศทางไกลมาใช้ประดิษฐ์อุปกรณ์บนชิปได้เนื่องจากวัสดุบางประเภทจะลดประสิ ท ธิ ภ าพกา รทำ ง านของอุ ป ก รณ์อิเล็กทรอนิกส์บนชิปเช่นแกลเลียมอาร์เซไนด์เป็นวัสดุที่นิยมนำมาทำเป็นแหล่งกำเนิดแสงและอุปกรณ์ตรวจจับแสงในระบบใยแก้วนำแสง แต่ว่าแกลเลียมอาร์เซไนด์สามารถทำให้ซิลิคอนไดออกไซด์ที่ใช้เป็นฉนวนบนแผ่นชิปกลับมีสมบัติที่นำไฟฟ้าได้ดี ซึ่งจะส่งผลเสียต่อการทำงานของวงจรรวมไฟฟ้าบนชิปได้ เป้าหมายงานวิจัยปัจจุบันคือ การแสวงหาเทคโนโลยีที่จะทำให้วัสดุอย่างซิลิคอน สามารถทำหน้าที่ต่างๆ สำหรับประดิษฐ์อุปกรณ์ต่างๆ บนชิปที่

ใช้แสงในการส่งข้อมูลได้ดี หรือการแสวงหาวัสดุชนิดอื่นๆ ที่สามารถนำมาใช้บนชิปซิลิคอนได้โดยไม่ท ำลายการทำงานของทรานซิ ส เตอร์ บนชิ ปเทคโนโลยีใหม่ที่ว่านี้เรียกว่าซิลิคอนโฟโทนิกส์ซึ่งในปัจจุบันเป็นงานวิจัยอยู่ในสถาบันศึกษาชั้นนำในยุโรปอเมริกาและเอเชีย และบริษัทใหญ่ๆ ที่เป็นผู้นำในการผลิตอิเล็กทรอนิกส์ อาทิ อินเทล และไอบีเอ็มตัวอย่างความก้าวหน้าของเทคโนโลยีซิลิคอนโฟโทนิกส์ได้แก่อุปกรณ์ใส่ข้อมูลลงในสัญญาณแสงที่ทำจากซิลิคอนได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Natureเมื่อปี ค.ศ. 2005 ในแต่ละปีมีการประชุมวิชาการนานาชาติในสาขาซิลิคอนโฟโทนิกส์ที่จัดขึ้นปีละครั้งเพื่อนำเสนอผลงานวิจัยใหม่(ภาพที่6)

ตลุาคม - ธนัวาคม 2552 M T E C 63

สำหรับการนำอุปกรณ์ซิลิคอนโฟโทนิกส์ต่างๆ ลงมาประกอบบนแผ่นชิปที่ประกอบด้วยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และซิลิคอนโฟโทนิกส์นั้นอาจจะมีหน้าตาเหมือนกับวงจรรวมในภาพที่ 7 แหล่งกำเนิดแสงอาจจะมาจากใยแก้วหรือแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์จากนั้นแสงจะเดินทางไปตามท่อนำแสงที่ต่อกับอุปกรณ์ที่ใส่ข้อมูลฐานสองลงในสัญญาณแสงอุปกรณ์นี้แปลงข้อมูลฐานสองในรูปสัญญาณไฟฟ้าซึ่งได้มาจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ (แผงสีแดง)ให้เป็น

ข้อมูลฐานสองในรูปสัญญาณแสง ในทางตรงกันข้ามอุปกรณ์ตรวจจับแสงสามารถเปลี่ยนข้อมูลฐานสองที่อยู่ในรูปของสัญญาณแสงให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าแล้วส่งสัญญาณไฟฟ้าไปยังอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ (แผงสีน้ำเงิน) แผงวงจรที่ประกอบด้วยอุปกรณ์การประมวลข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์และส่งผ่านข้อมูลด้วยสัญญาณไฟฟ้าจะสามารถรองรับการประมวลข้อมูลที่ความจุสูงได้ ซึ่งอาจจะเป็นโฉมหน้าใหม่ของชิปในคอมพิวเตอร์ในอนาคต

ภาพที่ 6 อุปกรณ์ใส่ข้อมูลลงในสัญญาณแสงที่ทำจากซิลิคอน (silicon modulator) และกราฟ eye diagram แสดงการทำงานของอุปกรณ์ ที่ 10 กิกะบิตต่อวินาที (ซ้ายบน) อุปกรณ์คัดกรองแสงโดยยินยอมให้เฉพาะแสงที่มีความยาวที่ต้องการเดินทางผ่าน (silicon filter) (ซ้ายล่าง)

อุปกรณ์ขยายสัญญาณแสง (amplifier) และอุปกรณ์สับเปลี่ยนทิศทางของแสง (switch) (ขวา)

ภาพที่ 7 แผงวงจรรวมอิเล็กทรอนิกส์ที่มีเทคโนโลยีเชื่อมข้อมูลโดยใช้แสง ข้อมูลที่ต้องการส่งผ่านสามารถเปลี่ยนกลับไปมา ระหว่างสัญญาณไฟฟ้าและสัญญาณแสง

ตลุาคม - ธนัวาคม 2552 M T E C 64

เอกสารอ้างอิง 1. Kirchain R. and Kimerling L.C., “A roadmap for nanophotonics,” Nature Photonics 1 June 2007, pp.303-305. 2. Technology Review, January-February 2009. 3. Jalali B., Fathpour S. and Tsia K., “Green Silicon Photonics,” Optics and Photonics News June 2009, pp.18-23. 4. Savage N., “Linking with Light,” IEEE Spectrum, 39 8 August 2002, pp.32-36. 5. Bohr M., “A 30 year Retrospective on Dennard’s MOSFET Scaling Paper”, IEEE Solid State Circuit Society January 2007. (http://www.ieee.org/portal/site/sscs/menuitem.f07ee9e3b2a01d06bb9305765bac26c8/index.jsp?&pName= sscs_level1_article&TheCat=2171&path=sscs/07Winter&file=Bohr.xml) 6. Soref R., “The Past, Present, and Future of Silicon Photonics,” IEEE J. of Selected Topics in Quantum Electronics, 12 Nov./Dec. 2006, pp.1678-1687. 7. Liu A. and Paniccia M., “Advances in silicon photonic devices for silicon-based optoelectronic applications,” Physica E 35 2006, pp.223-228. 8. Pavesi L., “Will silicon be the photonic material of the third millennium,” J. Phys.: Condens. Matter 15 (2003) R1169- R1196. 9. Xu Q., Schmidt B., Pradhan S. And Lipson M., “Micrometer-scale silicon electro-optic modulator,” Nature 435 (2005), pp.325-327. 10. Gunn C., Narasimha A., Analui B., Liang Y. And Sleboda T.J., “A 40Gbps CMOS Photonics Transceiver,” in Proc. Of SPIE Vol. 6477 Silicon Photonics edited by Kubby J.A. and Reed G.T. (2007). 11. http://domino.research.ibm.com/comm/research_projects.nsf/pages/photonics.index.html 12. http://techresearch.intel.com/articles/Tera-Scale/1419.htm ภาพประกอบ 1. http://www.engineer.ucla.edu/news/2005/nanostructures.html โดยDr. Jeffrey Su, Institute of Microelectronics, Singapore 2. htttp://www.ieee.org/portal/site/sscs/menuitem.f07ee9e3b2a01d06bb9305765bac26c8/index.jsp?&pName= sscs_level1_article&TheCat=2171&path=sscs/07Winter&file=Bohr.xml) 3. Kimerling, L.C. Opt. Photon. News 9, 19 (1998). Copyright (1998) OSA.) 4. Savage, N. IEEE Spectrum 39, 8 (2002).Copyright (2002) IEEE 5. http://techresearch.intel.com/articles/Tera-Scale/1419.htm 6. Soref, R. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 12, 6 (2006) 7. http://memebox.com/futureblogger/show/1461

การนำแสงมาใช้ ในการส่งผ่านข้อมูลมีศักยภาพในการพัฒนาให้เป็นเทคโนโลยีสำหรับส่งผ่านข้อมูลบนชิป เพราะแสงสามารถส่งผ่านข้อมูลด้วยความจุสูงๆ ได้ดีอย่างที่ประสบความสำเร็จมาแล้วในระบบโทรคมนาคมอย่างไรก็ตามการย่อส่วนอุปกรณ์เชื่อมข้อมูลโดยใช้แสงลงบนชิปนั้นต้องเผชิญความท้าทายอื่นๆ คือ ต้นทุนการผลิต ขนาดและการประหยัดพลังงานของอุปกรณ์ ถ้าหากเทคโนโลยี

ซิลิคอนโฟโทนิกส์สามารถตอบสนองต่อข้อจำกัดต่างๆ เหล่านี้ได้ดีกว่าเครือข่ายเส้นทองแดงสำหรับส่งสัญญาณไฟฟ้า ไม่แน่ว่าในอนาคตอาจจะมีค อ มพิ ว เ ต อ ร์ ที่ ใ ช้ แ ส ง ส่ ง ผ่ า น ข้ อ มู ล บ น ชิ ปคอมพิวเตอร์ และแสงจะเปลี่ยนเทคโนโลยีของคอมพิวเตอร์อีกครั้งอย่างที่เคยทำมาแล้วในระบบโทรคมนาคมเมื่อสามสิบปีก่อน