der8auer โชว์โครงสร้างภายในชิป Intel 14nm และ TSMC 7nm จะมีขนาดเล็กตามชื่อจริงหรือไม่?

ประเด็นที่กำลังถูกพูดถึงในตอนนี้ คือเรื่องของชิป Intel 14nm และ TSMC 7nm ที่ดูเหมือนว่าโหนดการผลิตเหล่านี้เป็นเพียงแค่ตัวเลข มิใช่ขนาดที่แท้จริงของทรานซิสเตอร์ตามที่เราเคยเชื่อ เรื่องนี้เป็นอย่างไร เดี๋ยวผมจะสรุปให้ฟังแบบง่าย ๆ นะครับ

เนื่องจากมีนัก Overclock คนหนึ่งนามว่า der8auer ได้ทดลองชำแหละโครงสร้างภายในของซีพียู Intel Core i9-10900K (Intel 14nm) และ Ryzen 9 3950X (TSMC 7nm) เพื่อเปรียบเทียบดูว่ามันมีความแตกต่างกันอย่างไร โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนส่องดูภายในครับ

ซึ่ง der8auer พบว่า Gate length ของชิป Intel จะมีค่าเฉลี่ยที่ 24nm ส่วน TSMC จะมีค่าเฉลี่ย 21nm ไม่ใช่ค่าตัวเลข 14nm และ 7nm ตามที่เรารับรู้มา แล้วทำไมมันเป็นเช่นนั้นล่ะ

หากย้อนกลับไปในการผลิตซีพียูช่วงปี 1970-1980 โครงสร้างของทรานซิสเตอร์ยังเป็นแบบ 2 มิติ (ดูจากภาพประกอบด้านบนเลยนะครับ) กลไกการทำงานพื้นฐานของมัน คือการเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้า จาก Source ไป Drain โดยผ่านการควบคุมของ Gate เพราะฉะนั้น Gate จะทำหน้าที่เหมือนสะพานเชื่อมการเดินทาง ยิ่งสะพานสั้นลง ระยะการเดินทางการจะน้อยลงด้วยครับ

นั่นจึงเป็นหนึ่งในแนวคิดการออกแบบทรานซิสเตอร์ให้มีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น โดยการลดขนาดของ Gate Length ร่วมกับการลดระยะ Half pitch ประเด็นมันอยู่ตรงนี้ครับ สมัยก่อนการลดขนาดของ Gate Length และ Half pitch จะมีสัดส่วนเท่า ๆ กัน (ตารางด้านล่าง) ทำให้เราสามารถแทนขนาดของ Gate Length และ Half pitch เพื่อเรียกชื่อโหนดการผลิตได้ครับ

แต่ในช่วงกลางปี 1990 พัฒนาการในการผลิตชิปประมวลผลก้าวหน้าเป็นอย่างมาก ผู้ผลิตจึงเร่งพัฒนาให้ซีพียูมีความแรง ตามแนวคิดเดิม คือ ลด Gate Length เพราะฉะนั้นในช่วงนี้จะเห็นได้ว่า Gate Length เริ่มมีขนาดลดลงอย่างมาก และไม่เป็นสัดส่วนกับ Half pitch จึงไม่สามารถนำมาใช้อ้างอิงขนาดของโหนดการผลิตได้อีก

แล้วขนาด 14nm, 7nm หรือ 5nm ตั้งตามอะไรล่ะ? อันนี้ไม่มีใครรู้ครับ แต่จากข้อมูลของ der8auer กล่าวว่า มันเป็นเพียงการเรียกชื่อให้มีความสอดคล้อง อาจเป็นเพราะมีการปรับเปลี่ยนเทคโนโลยีในการผลิต ยกตัวอย่างเช่น จากเดิมชิปประมวลผลของ SAMSUNG มีโหนดการผลิต 14nm แต่หลังจากที่ได้เปลี่ยนการผลิตไปเป็นทรานซิสเตอร์แบบ Fin-FET จึงเรียกโหนดการผลิตนั้นว่า 7nm ซึ่งจริง ๆ แล้ว อาจจะไม่มีโครงสร้างภายในใด ๆ เลยที่มีขนาด 7nm ตามชื่อเรียกโหนดครับ

นอกจากนี้ จากคลิปของคุณอาร์ม ช่อง YouTube 9arm ได้เสนอแนะว่า การเรียกชื่อโหนดการผลิตของ TSMC อาจมีที่มาจากอุปกรณืที่ใช้ในการผลิตทรานซิสเตอร์ สามารถทำการออกแบบชิ้นได้ละเอียดสูงสุดในขนาดเล็กถึง 7nm ทั้งนี้ ไม่ได้หมายความว่าเขาจะต้องผลิตโครงสร้างของทรานซิสเตอร์ให้มีขนาดดังกล่าวแต่อย่างใด เพียงแต่แสดงให้เห็นในแง่ของความเนี้ยบ ความละเอียดในการออกแบบ ที่อาจส่งผลิตต่อคุณภาพของชิปประมวลผลนั่นเองครับ

กลับมาที่ชิป Intel 14nm และชิป TSMC 7nm จากภาพของ der8auer จะพบว่า Gate ของทั้งสองชิปจะมีความสูงพอ ๆ แต่ตัว Gate, Source และ Drain ในชิป TSMC จะถูกบีบมากขึ้น จึงซอย Gate ได้ถี่กว่าชิปของ Intel เพราะฉะนั้นจึงทำให้ชิป TSMC สามารถอัดทรานซิสเตอร์ได้มากกว่า

ถึงกระนั้นปัจจุบันพารามิเตอร์ในการวัดความแรงชิป มันไม่ได้ขึ้นกับจำนวนของทรานซิสเตอร์ต่อตารางมิลลิเมตรเพียงอย่างเดียว แต่ยังมีปัจจัยอื่นเข้ามาเกี่ยวข้อง ไม่ว่าจะเป็นในแง่ของคุณภาพ, ส่วนประกอบอื่นของทรานซิสเตอร์ หรือกระทั่งการเก็บประจุไฟฟ้าไม่ให้รั่วไหล มันจึงเป็นคำตอบว่าทำไมประสิทธิภาพของชิป TSMC 7nm ไม่ได้โดดเด่นไปกว่า Intel 14nm ทั้งที่ชื่อโหนดมันมีขนาดเล็กกว่าเท่าตัว

และตอบคำถามว่าทำไมชิป Intel 10nm จึงมีจำนวนทรานซิสเตอร์ต่อตารางมิลลิเมตรเท่า ๆ กับ TSMC 7nm เพราะมาตรฐานของแต่ละค่ายไม่เหมือนกัน และการเรียกชื่อโหนดการผลิตก็ไม่ได้อ้างอิงถึงขนาด Gate Length หรือ Half pitch แต่อย่างใดครับ

สำหรับเพื่อน ๆ ที่สนใจ สามารถอ่านรายละเอียดการให้นิยามของโหนดการผลิตเพิ่มเติมได้ที่เว็บไซต์ IEEE Spectrum เลยนะครับ

ขอขอบคุณข้อมูลจาก

https://spectrum.ieee.org/semiconductors/devices/a-better-way-to-measure-progress-in-semiconductors

YouTube channel: 9arm, der8auer