บทความนี้สรุปประวัติการพัฒนาของวงจรรวม (IC) ตั้งแต่การคิดค้นทรานซิสเตอร์ในปี 1947 จนถึงความก้าวหน้าในปัจจุบัน โดยครอบคลุมเหตุการณ์สำคัญ เช่น การคิดค้น IC ในปี 1958 โดย Jack Kilby และ Robert Noyce รวมถึงการพัฒนาจากการรวมวงจรขนาดเล็กไปจนถึงการรวมวงจรขนาดใหญ่มาก (VLSI) กฎของมัวร์ (Moore’s Law) ซึ่งคาดการณ์ว่าจำนวนทรานซิสเตอร์จะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุก ๆ สองปี ได้กำหนดทิศทางของอุตสาหกรรมมาเป็นเวลาหลายทศวรรษ แต่ในปัจจุบันเริ่มชะลอตัวลงเนื่องจากข้อจำกัดทางกายภาพและเศรษฐศาสตร์ เทคโนโลยีใหม่ ๆ อย่างเช่น คอมพิวเตอร์ควอนตัมและวัสดุกราฟีน กำลังถูกวิจัยเพื่อแก้ไขข้อจำกัดของชิปซิลิคอนแบบดั้งเดิม

จุดเริ่มต้น: การคิดค้นทรานซิสเตอร์ (1947)

ในเดือนธันวาคมปี 1947 นักฟิสิกส์สามคนจาก Bell Labs ได้แก่ John Bardeen, Walter Brattain และ William Shockley ได้คิดค้นทรานซิสเตอร์ (Transistor) อุปกรณ์ที่สามารถขยายหรือตัดสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ได้ ทรานซิสเตอร์ทำจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ (เช่น ซิลิคอนหรือเจอร์เมเนียม) สามารถนำมาใช้แทนที่หลอดสุญญากาศได้ เนื่องจากมีขนาดเล็กกว่า มีประสิทธิภาพสูง และใช้พลังงานน้อยลง ถือว่าเป็นหนึ่งในสิ่งประดิษฐ์ที่สำคัญที่สุดในศตวรรษที่ 20

การเกิดขึ้นของทรานซิสเตอร์เป็นจุดเริ่มต้นของการปฏิวัติวงการอิเล็กทรอนิกส์ วิศวกรสามารถนำทรานซิสเตอร์มาพัฒนาต่อยอดจนในที่สุดก็ได้คิดค้นวงจรรวม (Integrated Circuit หรือ IC) ขึ้นมาในช่วงปลายทศวรรษ 1950

การคิดค้นวงจรรวม (1958-1959)

เหตุการณ์สำคัญถัดมาคือในปี 1958 เมื่อ Jack Kilby แห่ง Texas Instruments และ Robert Noyce แห่ง Fairchild Semiconductor ได้คิดค้นวงจรรวม (IC) โดย Jack Kilby มีแนวคิดที่จะรวมส่วนประกอบทั้งหมดไว้บนแผ่นเซมิคอนดักเตอร์เดียวเพื่อลดความซับซ้อนในการเชื่อมต่อส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ ความสำเร็จของ Kilby ได้รับการยอมรับด้วยรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2000

Robert Noyce ได้พัฒนาแนวคิดของ Kilby ต่อไป โดยเลือกใช้ซิลิคอนแทนเจอร์เมเนียม และแนะนำวิธีการเชื่อมต่อส่วนประกอบบนวงจรรวมให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น ทำให้การผลิตวงจรรวมจากซิลิคอนแพร่หลายและกลายเป็นมาตรฐานในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์จนถึงปัจจุบัน

การพัฒนาวงจรรวม: จาก SSI สู่ VLSI (1960-1980)

การประดิษฐ์วงจรรวมที่ผลิตจากซิลิคอนสำเร็จได้เปิดทางให้กับนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรออกแบบและผลิตวงจรที่ซับซ้อนมากขึ้น ในช่วงต้นทศวรรษ 1960 วงจรรวมขนาดเล็ก (SSI - Small Scale Integration) ที่มีทรานซิสเตอร์ 10 ถึง 100 ตัวบนชิปเดียวเริ่มถูกผลิตออกมา สิ่งนี้ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพและลดขนาดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ โดยเฉพาะในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทางทหารและอวกาศ

ในทศวรรษ 1970 เทคโนโลยีการผลิตวงจรรวมพัฒนาขึ้นอย่างรวดเร็ว วงจรรวมขนาดกลาง (MSI - Medium Scale Integration) มีทรานซิสเตอร์หลายร้อยตัว และวงจรขนาดใหญ่ (LSI - Large Scale Integration) ที่มีทรานซิสเตอร์หลายพันตัวได้รับการพัฒนา สิ่งนี้ช่วยปรับปรุงความสามารถในการคำนวณและประหยัดพลังงานสำหรับอุปกรณ์เช่นคอมพิวเตอร์และโทรศัพท์

การพัฒนาในทศวรรษ 1980 ต่อมา เทคโนโลยีการผลิตวงจรรวมก้าวกระโดดไปอีกขั้นด้วยการพัฒนาวงจรรวมขนาดใหญ่มาก (VLSI - Very Large Scale Integration) ที่สามารถบรรจุทรานซิสเตอร์ได้หลายล้านตัวบนชิปเดียว การพัฒนานี้เป็นจุดเริ่มต้นของการปฏิวัติเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ รวมถึงการก้าวหน้าในการคำนวณและระบบอัตโนมัติ

กฎของมัวร์: การทำนายและพัฒนา (1965-2010)

ในปี 1965 Gordon Moore ผู้ร่วมก่อตั้ง Intel ได้เสนอการทำนายที่สำคัญในบทความ "Cramming More Components onto Integrated Circuits" โดยคาดการณ์ว่าจำนวนทรานซิสเตอร์บนวงจรรวมจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุก ๆ สองปี การทำนายนี้เรียกว่ากฎของมัวร์ (Moore’s Law) แม้จะไม่เป็นทางการ แต่ก็มีอิทธิพลต่อทิศทางการพัฒนาอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์มานานกว่า 50 ปี

กฎของมัวร์ได้รับการสนับสนุนจากความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีการผลิตวงจรรวม โดยเฉพาะ              เทคนิคการโฟโตลิโทกราฟี (Photolithography) ที่ช่วยให้สามารถแกะสลักทรานซิสเตอร์ด้วยแสงที่มีความละเอียดสูงบนพื้นผิวซิลิคอน ในช่วงปี 1970 ถึง 2010 ชิปวงจรรวมได้รับการพัฒนาจนมีความสามารถมากขึ้น ขนาดเล็กลง และราคาถูกลงตามที่ Moore คาดการณ์ไว้ นำไปสู่การพัฒนาเทคโนโลยีต่าง ๆ เช่น คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล โทรศัพท์มือถือ และอุปกรณ์อัจฉริยะ

ตัวอย่างเช่น หน่วยประมวลผล Intel 4004 (เปิดตัวในปี 1971) มีทรานซิสเตอร์ประมาณ 2,300 ตัว ในขณะที่หน่วยประมวลผล Intel Core i7-980X (เปิดตัวในปี 2010) มีทรานซิสเตอร์มากกว่า 1.17 พันล้านตัว ซึ่งเป็นหลักฐานที่ชัดเจนถึงความแม่นยำของกฎของมัวร์ในช่วงเวลานั้น

ความท้าทายต่อกฎของมัวร์ (2010-ปัจจุบัน)

อย่างไรก็ตาม เมื่อทรานซิสเตอร์มีขนาดเล็กลง ผู้ผลิตชิปเริ่มเผชิญกับความท้าทายทางเทคนิคที่สำคัญ ขนาดของทรานซิสเตอร์ได้ลดลงจนถึงระดับนาโนเมตร ซึ่งการลดขนาดต่อไปกลายเป็นเรื่องยากขึ้น เนื่องจากมีข้อจำกัดทางกายภาพ เช่น การรั่วไหลของกระแสไฟฟ้าและปัญหาความร้อนสูงเกินไป

ประมาณปี 2015 ผู้เชี่ยวชาญด้านเทคโนโลยีหลายคนเริ่มยอมรับว่ากฎของมัวร์กำลังสูญเสียความแม่นยำ Intel หนึ่งในบริษัทชั้นนำในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ ยอมรับว่าระยะห่างระหว่างชิปเจเนอเรชันใหม่ไม่ได้เป็นไปตามรอบสองปีอีกต่อไป การพัฒนากระบวนการผลิตจาก 14nm เป็น 10nm และต่อมาเป็น 7nm ใช้เวลาและค่าใช้จ่ายมากกว่าที่คาดไว้ ทำให้ประสิทธิภาพการทำงานเพิ่มขึ้นไม่เร็วเท่าที่เคย

ปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่งที่ส่งผลให้กฎของมัวร์เสื่อมลงคือค่าใช้จ่ายในการพัฒนาและการผลิตชิปเจเนอเรชันใหม่ เมื่อขนาดของทรานซิสเตอร์ลดลง การผลิตชิปต้องใช้เทคโนโลยีที่ซับซ้อนและมีราคาแพงขึ้น ทำให้ต้นทุนการผลิตเพิ่มขึ้น และบริษัทต่าง ๆ ต้องหาวิธีชดเชยด้วยการตั้งราคาที่สูงขึ้นสำหรับผลิตภัณฑ์

เทคโนโลยีใหม่ที่มาทดแทนกฎของมัวร์

เพื่อรักษาการพัฒนาของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ นักวิจัยและวิศวกรได้เริ่มค้นหาเทคโนโลยีใหม่ ๆ ที่จะมาแทนกระบวนการผลิตแบบดั้งเดิมที่ใช้ซิลิคอน ทิศทางการพัฒนาบางประการรวมถึง:

• คอมพิวเตอร์ควอนตัม: นี่คือสาขาที่มีศักยภาพมาก ซึ่งใช้คิวบิตแทนทรานซิสเตอร์ในการทำคำนวณที่ซับซ้อน คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีศักยภาพในการทำงานได้เหนือกว่าคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิม แต่ในปัจจุบันเทคโนโลยียังอยู่ในขั้นตอนการทดลอง
• วงจรประสาทเทียม (Neuromorphic Circuits): วงจรประเภทนี้จำลองการทำงานของสมองมนุษย์ โดยใช้เครือข่ายประสาทเทียมในการประมวลผลข้อมูล วงจรประสาทเทียมสามารถทำงาน เช่น การจดจำภาพและการประมวลผลภาษาธรรมชาติได้มีประสิทธิภาพกว่าวงจรชิปแบบดั้งเดิม
• วัสดุใหม่: วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ใหม่ เช่น กราฟีนและสารประกอบเซมิคอนดักเตอร์อื่น ๆ อาจมาแทนซิลิคอนในการผลิตชิปในอนาคต วัสดุเหล่านี้สามารถแก้ไขข้อจำกัดด้านขนาดและพลังงานที่ชิปซิลิคอนกำลังเผชิญอยู่

บทสรุป

จากการคิดค้นทรานซิสเตอร์ไปจนถึงวงจรรวม และการครอบงำของกฎของมัวร์ในช่วงกว่าครึ่งศตวรรษ เราได้เห็นการก้าวกระโดดที่น่าทึ่งในด้านเทคโนโลยี แม้ว่ากฎของมัวร์จะมีบทบาทสำคัญในการกำหนดยุคของเทคโนโลยี แต่ในปัจจุบันมันเริ่มสูญเสียความแม่นยำ เนื่องจากข้อจำกัดทางกายภาพของซิลิคอนปรากฏให้เห็นอย่างชัดเจน อย่างไรก็ตาม อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ยังคงมองหาเทคโนโลยีใหม่ ๆ เพื่อพัฒนาระบบการคำนวณและระบบอัตโนมัติต่อไป เปิดทางสู่โอกาสใหม่ ๆ ในอนาคต