ประวัติศาสตร์ IC (Integrated Circuit): จากทรานซิสเตอร์ตัวเดียวสู่ชิปพันล้านตัว

ทุกวันนี้เราพกชิปหลายสิบตัวไว้ในกระเป๋าโดยไม่รู้ตัว ทั้งในโทรศัพท์ นาฬิกา รถยนต์ และเครื่องใช้ไฟฟ้าในบ้าน ชิปเหล่านี้เรียกว่า IC หรือวงจรรวม (Integrated Circuit) คือการนำทรานซิสเตอร์ ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ และการเชื่อมต่อจำนวนมาก มาสร้างบนแผ่นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์แผ่นเดียว ความคิดนี้เปลี่ยนโลกเทคโนโลยีไปอย่างสิ้นเชิง

ก่อนมี IC: ปัญหาของวงจรแยกชิ้น

ในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 วงจรอิเล็กทรอนิกส์ประกอบจากชิ้นส่วนแยกกัน เช่น หลอดสุญญากาศ ตัวต้านทาน และตัวเก็บประจุ ที่บัดกรีต่อกันด้วยมือ คอมพิวเตอร์ยุคแรกอย่าง ENIAC ใช้หลอดสุญญากาศกว่าหมื่นหลอดและกินพื้นที่เท่าห้องใหญ่ หลอดร้อน แตกง่าย และเสียบ่อย ทำให้การเพิ่มความซับซ้อนของวงจรเป็นเรื่องยาก

ทรานซิสเตอร์ที่ประดิษฐ์ขึ้นที่ Bell Labs ในปี ค.ศ. 1947 ช่วยลดขนาดและการใช้พลังงานได้มาก แต่ปัญหาเดิมยังอยู่ เมื่อวงจรมีชิ้นส่วนนับพันชิ้น การต่อสายด้วยมือแต่ละจุดเป็นที่มาของความผิดพลาด วิศวกรเรียกปัญหานี้ว่า "คอขวดของการเชื่อมต่อ" (tyranny of numbers) เพราะยิ่งต้องการความซับซ้อนมาก จำนวนจุดเชื่อมต่อก็ยิ่งเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว

ปี 1958: จาก Jack Kilby สู่ชิปเจอร์มาเนียมแผ่นแรก

Jack Kilby วิศวกรของ Texas Instruments ตั้งคำถามว่า ทำไมไม่สร้างทรานซิสเตอร์ ตัวต้านทาน และตัวเก็บประจุ จากวัสดุชิ้นเดียวกันเลย ในเดือนกันยายน ค.ศ. 1958 ซึ่งเป็นช่วงที่บริษัทปิดทำการ เขาสาธิตวงจรแรกที่สร้างจากเจอร์มาเนียม โดยเชื่อมสายทองคำบาง ๆ เพื่อต่อชิ้นส่วนบนแท่งเล็ก ๆ วงจรนั้นสามารถสร้างการสั่นได้จริง แม้จะดูหยาบกว่าชิปยุคปัจจุบันมาก แต่เป็นหลักฐานว่าวงจรทั้งหมดสามารถอยู่บนวัสดุชิ้นเดียวได้

Kilby ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 2000 จากผลงานนี้ ร่วมกับผู้ได้รับรางวัลอีกสองคนจากงานด้านอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์

ปี 1959: Robert Noyce และวงจรซิลิคอนแบบ Planar

ไม่กี่เดือนต่อมา Robert Noyce แห่ง Fairchild Semiconductor พัฒนาแนวคิดที่ใช้งานได้จริงกว่า เขาใช้ซิลิคอนแทนเจอร์มาเนียม และใช้กระบวนการ Planar ที่สร้างชั้นออกไซด์ป้องกันบนผิวซิลิคอน แล้วพิมพ์ลายวงจรด้วยการถ่ายภาพและการกัดกรด การเชื่อมต่อจึงทำได้ด้วยฟิล์มโลหะบนผิว ไม่ต้องใช้สายทองคำ วิธีนี้ทนทานกว่า ผลิตซ้ำได้ดีกว่า และเป็นรากฐานของการผลิตชิปแบบอุตสาหกรรมจนถึงปัจจุบัน

ทศวรรษ 1960: IC เข้าสู่ตลาดและกองทัพ

ความต้องการในช่วงแรกมาจากโครงการอวกาศและการทหาร ขีปนาวุธ Minuteman ของสหรัฐฯ ต้องการคอมพิวเตอร์นำวิถีที่เล็ก เบา และเชื่อถือได้ IC ตอบโจทย์นี้ได้ดี บริษัทผู้ผลิตจึงขายชิปจำนวนมากให้หน่วยงานรัฐในช่วงต้นทศวรรษ 1960 ราคาต่อชิ้นยังสูงมาก แต่ปริมาณการผลิตที่เพิ่มขึ้นทำให้ราคาลดลงอย่างรวดเร็ว

ในปี ค.ศ. 1965 Gordon Moore จาก Fairchild เขียนบทความทำนายว่า จำนวนทรานซิสเตอร์ที่ใส่ลงในชิปหนึ่งตัวจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุกประมาณหนึ่งถึงสองปี คำทำนายนี้รู้จักกันในชื่อกฎของมัวร์ และกลายเป็นเป้าหมายที่อุตสาหกรรมไล่ตามมานานหลายสิบปี

ทศวรรษ 1970: ไมโครโปรเซสเซอร์และยุค MOS

ปี ค.ศ. 1971 Intel เปิดตัว Intel 4004 ซึ่งเป็นไมโครโปรเซสเซอร์ตัวแรกที่รวมหน่วยประมวลผลไว้บนชิปเดียว มีทรานซิสเตอร์ราว 2,300 ตัว และทำงานด้วยความเร็วต่ำ แต่การนำชิปนี้ไปใช้ในเครื่องคิดเลขและอุปกรณ์ควบคุมถือเป็นการเปิดประตูให้ "คอมพิวเตอร์ขนาดเล็ก" ในยุคต่อมา

ในช่วงเดียวกัน เทคโนโลยี MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) ได้รับการพัฒนาจนผลิตได้จริงและประหยัดพลังงานมากกว่า ทำให้จำนวนทรานซิสเตอร์ในชิปเพิ่มเร็วขึ้นมาก วงจรขนาดกลางและขนาดใหญ่ (MSI และ LSI) กลายเป็นมาตรฐาน

ทศวรรษ 1980 ถึง 1990: VLSI และพีซี

การผลิตชิปเข้าสู่ยุค VLSI (Very Large Scale Integration) ที่มีทรานซิสเตอร์นับแสนและล้านตัวต่อชิป ไมโครโปรเซสเซอร์อย่าง Intel 386 ปี ค.ศ. 1985 มีทรานซิสเตอร์ราว 275,000 ตัว ความต้องการคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลทำให้ตลาดชิปใหญ่ขึ้นมาก การแข่งขันระหว่างบริษัทผลักดันให้ลดขนาดลายวงจรลงเรื่อย ๆ จากหลายไมครอนมาสู่ระดับต่ำกว่าไมครอน

ในช่วงนี้เองที่ CMOS กลายเป็นเทคโนโลยีหลัก เพราะกินไฟน้อยกว่า ทั้งในคอมพิวเตอร์ โทรศัพท์มือถือ และอุปกรณ์พกพาที่แพร่หลายขึ้น

ศตวรรษที่ 21: ชิปหลายพันล้านทรานซิสเตอร์

ตั้งแต่ปี 2000 เป็นต้นมา ปัญหาหลักของอุตสาหกรรมไม่ใช่เพียงการย่อขนาด แต่รวมถึงความร้อน การรั่วไหลของกระแส และต้นทุนการผลิต วิศวกรเปลี่ยนไปใช้โครงสร้างทรานซิสเตอร์ 3 มิติ เช่น FinFET และการซ้อนชั้นของชิป (3D packaging) และการแยกชิปเป็นส่วนย่อยแล้วนำมาประกอบกัน (chiplet)

ชิปสมัยใหม่มีทรานซิสเตอร์ได้หลายหมื่นล้านตัวต่อตัว และบริษัทหลายแห่งออกแบบชิปของตนเองสำหรับโทรศัพท์ คอมพิวเตอร์ และเซิร์ฟเวอร์ ความสามารถเหล่านี้ทำให้เกิดการประมวลผลภาพ เสียง และปัญญาประดิษฐ์ในอุปกรณ์ขนาดเล็ก

บทเรียนจากประวัติศาสตร์ IC

บทสรุป

จากวงจรเจอร์มาเนียมที่ประกอบด้วยสายทองคำเพียงไม่กี่เส้น สู่ชิปซิลิคอนที่มีทรานซิสเตอร์หลายหมื่นล้านตัว ประวัติศาสตร์ IC คือเรื่องราวของการทำให้สิ่งที่ซับซ้อนเล็กลง ถูกลง และเชื่อถือได้มากขึ้นอย่างต่อเนื่อง ทุกครั้งที่คุณเปิดโทรศัพท์ หรือกดปุ่มในเครื่องคิดเลข ก็คือการใช้ผลลัพธ์จากความคิดนี้โดยตรง