NanoStack ทำงานอย่างไร

แนวคิดสำคัญของ NanoStack ไม่ใช่เพียงการทำให้ทรานซิสเตอร์บนพื้นผิวชิปมีขนาดเล็กลง แต่เป็นการเปลี่ยนจากการจัดวางบนระนาบเป็นการนำทรานซิสเตอร์มาซ้อนกันในแนวตั้งแบบ 3 มิติ

เทคโนโลยีนี้ใช้ nanosheet ซึ่งเป็นแผ่นช่องนำไฟฟ้าขนาดเล็กเป็นองค์ประกอบพื้นฐาน จากนั้นจึงวางทรานซิสเตอร์ซ้อนกันในแนวตั้งผ่านกระบวนการเชื่อมเวเฟอร์ หรือ wafer bonding IBM ยังออกแบบให้ชั้นทรานซิสเตอร์ด้านบนเหลื่อมกับชั้นด้านล่าง แทนที่จะวางทับกันตรง ๆ ซึ่งช่วยให้การจัดวางมีความยืดหยุ่นมากขึ้น

ในเชิงโครงสร้าง NanoStack ทำหน้าที่คล้าย CFET หรือ complementary field-effect transistor โดยนำทรานซิสเตอร์ชนิด n-type และ p-type ซึ่งเดิมมักวางเรียงอยู่ข้างกัน มาวางซ้อนด้านบนและด้านล่าง การจัดวางเช่นนี้ช่วยลดพื้นที่ไดบนชิป และลดระยะทางที่สัญญาณไฟฟ้าต้องเดินทางระหว่างทรานซิสเตอร์

IBM อธิบาย NanoStack ว่าเป็น “กรอบสถาปัตยกรรมสากล” สำหรับการจัดวางทรานซิสเตอร์ในอนาคต บริษัทระบุว่า IBM Research สามารถสาธิตชิปต้นแบบที่ทำงานได้จริงในระดับ 0.7 นาโนเมตร ซึ่งถือเป็นการสาธิตลอจิก CMOS ต่ำกว่า 1 นาโนเมตรที่ทำงานได้ต่อสาธารณะเป็นครั้งแรก

ยังไม่ใช่ชิปที่กำลังจะอยู่ในสมาร์ทโฟนทันที

แม้ตัวเลขจะดูเหมือนก้าวกระโดด แต่ IBM ย้ำว่า NanoStack ยังอยู่ในขั้นวิจัย เทคโนโลยีนี้ยังต้องผ่านกระบวนการพัฒนาให้พร้อมสำหรับการผลิตจำนวนมาก ทั้งด้านความสม่ำเสมอของกระบวนการ ต้นทุน ผลผลิตต่อเวเฟอร์ และความเข้ากันได้กับสายการผลิตจริง

IBM คาดว่าพันธมิตรอาจเริ่มผลิตเชิงพาณิชย์ได้ภายในประมาณ 5 ปี บริษัทไม่ได้ดำเนินงานโรงงานผลิตชิปของตนเอง แต่มีแผนให้สิทธิ์ใช้การออกแบบ NanoStack แก่พันธมิตรและโรงงานรับจ้างผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งสอดคล้องกับแนวทางที่ IBM เคยใช้ในการนำผลงานวิจัยด้านชิปออกสู่ตลาด

นอกจากนี้ IBM ยังวางเส้นทางการพัฒนาไปสู่โหนดขนาด 0.1 นาโนเมตร หรือ 1 อังสตรอมในระยะยาว

ความหมายต่อชิป AI และการแข่งขันยุคอังสตรอม

IBM วางตำแหน่ง 0.7 นาโนเมตรไว้ในจุดเริ่มต้นของสิ่งที่อุตสาหกรรมเรียกว่า “ยุคอังสตรอม” ซึ่งเป็นช่วงที่การพูดถึงกระบวนการผลิตชิปขยับจากหน่วยนาโนเมตรไปสู่ระดับอังสตรอม

บริษัทประเมินในเชิงทฤษฎีว่า ตัวเร่งประมวลผล AI ที่สร้างด้วยชิประดับ 7A อาจทำประสิทธิภาพได้ราว 7,000 TOPS หรือ 7 ล้านล้านล้านการดำเนินการต่อวินาที เทียบกับประมาณ 1,500 TOPS ในโหนดชั้นนำปัจจุบัน หรือเพิ่มขึ้นราว 4.7 เท่า อย่างไรก็ดี ตัวเลขดังกล่าวเป็นการประเมินศักยภาพ ไม่ใช่ผลลัพธ์จากผลิตภัณฑ์ AI เชิงพาณิชย์

การเปิดตัวนี้ยังช่วยให้ IBM แสดงบทบาทในสนามแข่งขันด้านโหนดระดับอังสตรอม ซึ่งมีผู้เล่นรายใหญ่อย่าง TSMC, Samsung และ Intel อยู่ในแนวหน้า แต่ความสำเร็จที่แท้จริงจะขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนต้นแบบในห้องทดลองให้กลายเป็นกระบวนการผลิตจำนวนมากที่คุ้มค่าและมีเสถียรภาพ

ข้อควรรู้ก่อนตีความตัวเลขของ IBM

ประเด็นสำคัญที่สุดคือ ตัวเลขประสิทธิภาพและการประหยัดพลังงานเป็น ตัวเลขคาดการณ์จากเทคโนโลยีระดับวิจัย ไม่ใช่การเปรียบเทียบระหว่างสินค้าที่วางขายแล้ว ขณะเดียวกันกรอบเวลาประมาณ 5 ปียังเป็นเป้าหมายของ IBM และการผลิตจริงจะขึ้นอยู่กับความพร้อมของพันธมิตรที่รับเทคโนโลยีไปพัฒนา

Huiming Bu รองประธานฝ่ายวิจัยและพัฒนาเซมิคอนดักเตอร์ระดับโลกของ IBM กล่าวถึงแนวคิดนี้ว่า “NanoStack ไม่ใช่นวัตกรรมเพียงอย่างเดียว แต่เป็นแพลตฟอร์มอุปกรณ์ที่ช่วยให้การย่อขนาดเดินหน้าต่อได้อีกทศวรรษ เรากำลังเตรียมให้พร้อมสำหรับการผลิต”

ดังนั้น NanoStack จึงเป็นสัญญาณสำคัญของทิศทางการออกแบบชิปในอนาคต มากกว่าจะเป็นคำมั่นว่าชิป 0.7 นาโนเมตรจะปรากฏในอุปกรณ์ผู้บริโภคในเร็ว ๆ นี้

NanoStack ทำงานอย่างไร

แนวคิดสำคัญของ NanoStack ไม่ใช่เพียงการทำให้ทรานซิสเตอร์บนพื้นผิวชิปมีขนาดเล็กลง แต่เป็นการเปลี่ยนจากการจัดวางบนระนาบเป็นการนำทรานซิสเตอร์มาซ้อนกันในแนวตั้งแบบ 3 มิติ

เทคโนโลยีนี้ใช้ nanosheet ซึ่งเป็นแผ่นช่องนำไฟฟ้าขนาดเล็กเป็นองค์ประกอบพื้นฐาน จากนั้นจึงวางทรานซิสเตอร์ซ้อนกันในแนวตั้งผ่านกระบวนการเชื่อมเวเฟอร์ หรือ wafer bonding IBM ยังออกแบบให้ชั้นทรานซิสเตอร์ด้านบนเหลื่อมกับชั้นด้านล่าง แทนที่จะวางทับกันตรง ๆ ซึ่งช่วยให้การจัดวางมีความยืดหยุ่นมากขึ้น

ในเชิงโครงสร้าง NanoStack ทำหน้าที่คล้าย CFET หรือ complementary field-effect transistor โดยนำทรานซิสเตอร์ชนิด n-type และ p-type ซึ่งเดิมมักวางเรียงอยู่ข้างกัน มาวางซ้อนด้านบนและด้านล่าง การจัดวางเช่นนี้ช่วยลดพื้นที่ไดบนชิป และลดระยะทางที่สัญญาณไฟฟ้าต้องเดินทางระหว่างทรานซิสเตอร์

IBM อธิบาย NanoStack ว่าเป็น “กรอบสถาปัตยกรรมสากล” สำหรับการจัดวางทรานซิสเตอร์ในอนาคต บริษัทระบุว่า IBM Research สามารถสาธิตชิปต้นแบบที่ทำงานได้จริงในระดับ 0.7 นาโนเมตร ซึ่งถือเป็นการสาธิตลอจิก CMOS ต่ำกว่า 1 นาโนเมตรที่ทำงานได้ต่อสาธารณะเป็นครั้งแรก

ยังไม่ใช่ชิปที่กำลังจะอยู่ในสมาร์ทโฟนทันที

แม้ตัวเลขจะดูเหมือนก้าวกระโดด แต่ IBM ย้ำว่า NanoStack ยังอยู่ในขั้นวิจัย เทคโนโลยีนี้ยังต้องผ่านกระบวนการพัฒนาให้พร้อมสำหรับการผลิตจำนวนมาก ทั้งด้านความสม่ำเสมอของกระบวนการ ต้นทุน ผลผลิตต่อเวเฟอร์ และความเข้ากันได้กับสายการผลิตจริง

IBM คาดว่าพันธมิตรอาจเริ่มผลิตเชิงพาณิชย์ได้ภายในประมาณ 5 ปี บริษัทไม่ได้ดำเนินงานโรงงานผลิตชิปของตนเอง แต่มีแผนให้สิทธิ์ใช้การออกแบบ NanoStack แก่พันธมิตรและโรงงานรับจ้างผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งสอดคล้องกับแนวทางที่ IBM เคยใช้ในการนำผลงานวิจัยด้านชิปออกสู่ตลาด

นอกจากนี้ IBM ยังวางเส้นทางการพัฒนาไปสู่โหนดขนาด 0.1 นาโนเมตร หรือ 1 อังสตรอมในระยะยาว

ความหมายต่อชิป AI และการแข่งขันยุคอังสตรอม

IBM วางตำแหน่ง 0.7 นาโนเมตรไว้ในจุดเริ่มต้นของสิ่งที่อุตสาหกรรมเรียกว่า “ยุคอังสตรอม” ซึ่งเป็นช่วงที่การพูดถึงกระบวนการผลิตชิปขยับจากหน่วยนาโนเมตรไปสู่ระดับอังสตรอม

บริษัทประเมินในเชิงทฤษฎีว่า ตัวเร่งประมวลผล AI ที่สร้างด้วยชิประดับ 7A อาจทำประสิทธิภาพได้ราว 7,000 TOPS หรือ 7 ล้านล้านล้านการดำเนินการต่อวินาที เทียบกับประมาณ 1,500 TOPS ในโหนดชั้นนำปัจจุบัน หรือเพิ่มขึ้นราว 4.7 เท่า อย่างไรก็ดี ตัวเลขดังกล่าวเป็นการประเมินศักยภาพ ไม่ใช่ผลลัพธ์จากผลิตภัณฑ์ AI เชิงพาณิชย์

การเปิดตัวนี้ยังช่วยให้ IBM แสดงบทบาทในสนามแข่งขันด้านโหนดระดับอังสตรอม ซึ่งมีผู้เล่นรายใหญ่อย่าง TSMC, Samsung และ Intel อยู่ในแนวหน้า แต่ความสำเร็จที่แท้จริงจะขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนต้นแบบในห้องทดลองให้กลายเป็นกระบวนการผลิตจำนวนมากที่คุ้มค่าและมีเสถียรภาพ

ข้อควรรู้ก่อนตีความตัวเลขของ IBM

ประเด็นสำคัญที่สุดคือ ตัวเลขประสิทธิภาพและการประหยัดพลังงานเป็น ตัวเลขคาดการณ์จากเทคโนโลยีระดับวิจัย ไม่ใช่การเปรียบเทียบระหว่างสินค้าที่วางขายแล้ว ขณะเดียวกันกรอบเวลาประมาณ 5 ปียังเป็นเป้าหมายของ IBM และการผลิตจริงจะขึ้นอยู่กับความพร้อมของพันธมิตรที่รับเทคโนโลยีไปพัฒนา

Huiming Bu รองประธานฝ่ายวิจัยและพัฒนาเซมิคอนดักเตอร์ระดับโลกของ IBM กล่าวถึงแนวคิดนี้ว่า “NanoStack ไม่ใช่นวัตกรรมเพียงอย่างเดียว แต่เป็นแพลตฟอร์มอุปกรณ์ที่ช่วยให้การย่อขนาดเดินหน้าต่อได้อีกทศวรรษ เรากำลังเตรียมให้พร้อมสำหรับการผลิต”

ดังนั้น NanoStack จึงเป็นสัญญาณสำคัญของทิศทางการออกแบบชิปในอนาคต มากกว่าจะเป็นคำมั่นว่าชิป 0.7 นาโนเมตรจะปรากฏในอุปกรณ์ผู้บริโภคในเร็ว ๆ นี้