นำอัฐิฉีถัง ซา ผู้บุกเบิกสารกึ่งตัวนำกลับจีน

การกลับสู่บ้านเกิดครั้งสุดท้ายของผู้พลิกโฉมชิปยุคใหม่

อัฐิของฉีถัง ซา ผู้บุกเบิกยุคสารกึ่งตัวนำสมัยใหม่ ถูกนำจากสหรัฐฯ กลับไปยังฝูเจี้ยนทางตะวันออกเฉียงใต้ของจีนเพื่อประกอบพิธีฝัง มรดกทางวิทยาศาสตร์ของซาเกี่ยวข้องกับอุปกรณ์แทบทุกชนิดที่มีชิป ตั้งแต่โทรศัพท์ในกระเป๋า คอมพิวเตอร์ที่ใช้ควบคุมเครื่องบิน ไปจนถึงตัวเร่งประมวลผลสำหรับฝึกปัญญาประดิษฐ์ ในปี 1963 ขณะทำงานที่ Fairchild Semiconductor ซาและแฟรงก์ วันลาสส์ ผู้ร่วมงาน ได้ร่วมกันเสนอแนวคิดตรรกะซีมอส (CMOS) หรือสารกึ่งตัวนำโลหะออกไซด์ชนิดคู่เติมเต็ม แนวคิดที่เรียบง่ายในหลักการแต่ส่งผลลึกซึ้งนี้ เปิดทางให้เกิดวงจรรวมที่ใช้พลังงานต่ำและใช้งานได้จริง รวมถึงการขยายตัวอย่างมหาศาลของอุตสาหกรรมชิปในปัจจุบัน หนังสือ High-Frequency Integrated Circuits ของโซริน วอยนิเกสคู แห่งมหาวิทยาลัยโทรอนโต ระบุว่า ภายในปี 2011 วงจรรวมสารกึ่งตัวนำราว 99 เปอร์เซ็นต์ผลิตด้วยเทคโนโลยี CMOS

ซาเกิดที่กรุงปักกิ่งและเสียชีวิตเมื่อวันที่ 5 กรกฎาคม ขณะอายุ 92 ปี เขาดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์กิตติมศักดิ์ที่มหาวิทยาลัยเซียะเหมิน ซึ่งร่วมรำลึกถึงการจากไปและความผูกพันอันยาวนานของเขากับแวดวงวิชาการ การนำอัฐิของเขากลับสู่มณฑลบ้านบรรพบุรุษเป็นโอกาสให้ระลึกถึงวิทยาศาสตร์ที่ขับเคลื่อนชีวิตประจำวันและเศรษฐกิจโลกอย่างเงียบ ๆ ตลอดจนเส้นทางอาชีพที่เชื่อมโยงห้องปฏิบัติการ ห้องบรรยาย และหัวใจของยุคสารสนเทศสมัยใหม่เข้าด้วยกัน

ฉีถัง ซา คือใคร

ฉีถัง ซา เป็นหนึ่งในคนรุ่นที่วางรากฐานให้แก่ยุคสารสนเทศ เขาเกิดในจีนเมื่อปี 1932 และเติบโตในตระกูลซาแห่งฝูโจวอันทรงเกียรติ ก่อนศึกษาด้านวิศวกรรมในสหรัฐฯ เขาสำเร็จปริญญาตรีสองสาขาจากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ จากนั้นศึกษาต่อจนได้รับปริญญาโทและปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด การศึกษาเหล่านี้ทำให้เขาอยู่ใจกลางงานวิจัยสารกึ่งตัวนำชนิดโซลิดสเตตยุคแรก ในช่วงที่อุปกรณ์ซิลิคอนกำลังเปลี่ยนจากหัวข้อในบทความฟิสิกส์ไปสู่การผลิตในโรงงาน

การศึกษาและช่วงเริ่มต้นอาชีพ

ในปี 1956 ซาเริ่มทำงานในภาคอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์โซลิดสเตต และเข้าร่วมกับ Fairchild Semiconductor ในเวลาไม่นานต่อมา ที่นั่นเขาและแฟรงก์ วันลาสส์ได้นำเสนอแนวคิด CMOS ในปี 1963 การจับคู่ทรานซิสเตอร์สองชนิด โดยชนิดหนึ่งนำกระแสเมื่อสัญญาณขาเข้าสูง ส่วนอีกชนิดนำกระแสเมื่อสัญญาณขาเข้าต่ำ ทำให้เกิดวงจรตรรกะที่ใช้พลังงานน้อยขณะพัก และขยายขนาดได้อย่างมีประสิทธิภาพเมื่อชิปซับซ้อนขึ้น ต่อมาซาเป็นศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ตั้งแต่ปี 1962 ถึง 1988 ก่อนทำงานต่อที่มหาวิทยาลัยฟลอริดา ตลอดเส้นทางวิชาการ เขาตีพิมพ์บทความในวารสารราว 280 เรื่อง ให้คำปรึกษาแก่นักศึกษาปริญญาเอก และพัฒนาความรู้ด้านฟิสิกส์ของอุปกรณ์ซึ่งเป็นรากฐานของการออกแบบและการผลิต CMOS เขาได้รับการยอมรับทั้งในภาคอุตสาหกรรมและแวดวงวิชาการจากผลงานที่เชื่อมโยงทฤษฎี อุปกรณ์ และระบบเข้าด้วยกัน

ห้องปฏิบัติการไมโครและนาโนเทคโนโลยีโฮโลเนียกแห่งมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์จัดให้ซาอยู่เคียงข้างบุคคลสำคัญคนอื่น ๆ ผู้ร่วมสร้างชื่อเสียงด้านการวิจัยสารกึ่งตัวนำของมหาวิทยาลัย ประวัติของห้องปฏิบัติการกล่าวถึงพัฒนาการต่อเนื่องจากยุคทรานซิสเตอร์สู่วงจรรวมสมัยใหม่ โดยมีซาเป็นส่วนหนึ่งของเส้นทางดังกล่าว ดูภาพรวมประวัติของห้องปฏิบัติการได้ที่ เว็บไซต์ห้องปฏิบัติการไมโครและนาโนเทคโนโลยีโฮโลเนียก

นักวิจัยของห้องปฏิบัติการเป็นส่วนหนึ่งของมรดกด้านสารกึ่งตัวนำที่มีประวัติศาสตร์ยาวนาน ซึ่งเริ่มต้นจากยักษ์ใหญ่ด้านวิศวกรรมอย่างจอห์น บาร์ดีน นิก โฮโลเนียก จูเนียร์ และฉีถัง ซา ผลงานบุกเบิกของพวกเขาช่วยจุดประกายและขับเคลื่อนการปฏิวัติเทคโนโลยีสารสนเทศในปัจจุบัน

CMOS เปลี่ยนแปลงทุกสิ่งได้อย่างไร

CMOS ย่อมาจาก complementary metal oxide semiconductor หรือสารกึ่งตัวนำโลหะออกไซด์ชนิดคู่เติมเต็ม เป็นเทคโนโลยีหลักที่อยู่เบื้องหลังชิปส่วนใหญ่ หัวใจของมันคือทรานซิสเตอร์สนามผลแบบโลหะออกไซด์ชนิดคู่เติมเต็ม หรือ MOSFET ทรานซิสเตอร์ชนิดหนึ่งที่เรียกว่า p-type มักยอมให้กระแสไหลเมื่อสัญญาณขาเข้าต่ำ ส่วนอีกชนิดที่เรียกว่า n-type มักยอมให้กระแสไหลเมื่อสัญญาณขาเข้าสูง วิศวกรจัดทรานซิสเตอร์ทั้งสองชนิดทำงานร่วมกันในเกตตรรกะแต่ละตัว จึงสร้างวงจรที่ใช้พลังงานสถิตต่ำมากและทนต่อสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าได้ดี กระแสจะไหลอย่างมีนัยสำคัญเฉพาะตอนวงจรเปลี่ยนสถานะ ส่งผลให้เกิดความร้อนน้อยลงขณะพักและประหยัดพลังงานมากขึ้น

เหตุใด CMOS จึงใช้พลังงานน้อยกว่า

ลองพิจารณาองค์ประกอบตรรกะที่ง่ายที่สุดอย่างอินเวอร์เตอร์ ในอินเวอร์เตอร์ CMOS เมื่อสัญญาณขาเข้าต่ำ ทรานซิสเตอร์ p-type จะนำกระแส ส่วน n-type ปิด เมื่อสัญญาณขาเข้าสูง n-type จะนำกระแส ส่วน p-type ปิด สำหรับระดับตรรกะที่ถูกต้องทุกระดับ อุปกรณ์หนึ่งตัวจะปิดอยู่ จึงจำกัดการไหลของกระแสอย่างต่อเนื่อง พลังงานส่วนใหญ่ถูกใช้ไปกับการประจุและคายประจุความจุไฟฟ้าขนาดเล็กขณะสลับสถานะ คุณสมบัตินี้นำไปสู่แบตเตอรี่ที่ใช้งานได้นานในอุปกรณ์พกพา ความหนาแน่นสูงบนชิป และเปิดทางให้นักออกแบบเพิ่มความซับซ้อนได้ต่อเนื่องโดยไม่ทำให้การใช้พลังงานเพิ่มขึ้นในสัดส่วนเดียวกัน

CMOS เริ่มใช้ที่ Fairchild ในปี 1963 และได้รับแรงส่งทางการค้าเมื่อ RCA ผลิตวงจรรวม CMOS ชุดแรกในช่วงปลายทศวรรษ 1960 ภายในทศวรรษ 1980 เทคโนโลยีนี้ก็แซงหน้าตระกูลวงจรตรรกะอื่น ๆ ปัจจุบัน CMOS อยู่ในไมโครโปรเซสเซอร์ ไมโครคอนโทรลเลอร์ หน่วยความจำ RAM แบบสแตติก เซ็นเซอร์ภาพ และวงจรควบคุมของระบบนับไม่ถ้วน แม้รูปร่างทางกายภาพของทรานซิสเตอร์จะพัฒนาต่อไป โดยโครงสร้าง FinFET และ gate-all-around เข้ามาแทนที่การออกแบบระนาบแบบเดิม รูปแบบตรรกะก็ยังคงเป็น CMOS ชิปสมัยใหม่จำนวนมากยังซ้อนส่วนประกอบเป็นสามมิติและใช้บรรจุภัณฑ์ขั้นสูง แต่ยังอาศัยหลักการสลับสถานะด้วยทรานซิสเตอร์คู่เติมเต็มแบบเดียวกับที่ซาและวันลาสส์สนับสนุน

จาก Fairchild สู่ห้องเรียน

Fairchild Semiconductor มีบทบาทอย่างยิ่งต่อการเติบโตของซิลิคอนแวลลีย์ บริษัทดึงดูดนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรที่พัฒนากระบวนการและอุปกรณ์ซึ่งช่วยผลักดันวงจรรวมในช่วงเริ่มต้น ในสภาพแวดล้อมเช่นนั้น ซาทำงานสลับไปมาระหว่างทฤษฎีเชิงลึกเกี่ยวกับอุปกรณ์กับโจทย์เชิงปฏิบัติด้านการผลิตและการออกแบบ ก่อนนำประสบการณ์ดังกล่าวไปใช้ในการสอน

การสอนและการให้คำปรึกษา

ที่มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ ซาช่วยส่งเสริมความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับอุปกรณ์ซิลิคอนและพฤติกรรมของมัน พร้อมสร้างบุคลากรรุ่นใหม่ที่ต่อมาได้ออกแบบและผลิตชิปยุคถัด ๆ ไป ห้องปฏิบัติการไมโครและนาโนเทคโนโลยีโฮโลเนียก ซึ่งสืบย้อนรากฐานไปถึงบุคคลอย่างจอห์น บาร์ดีนและนิก โฮโลเนียก จูเนียร์ เป็นสายสัมพันธ์ที่ยังมีชีวิตระหว่างผลงานวางรากฐานในอดีตกับความก้าวหน้าในปัจจุบัน ห้องปฏิบัติการบันทึกเรื่องราวความต่อเนื่องนี้ไว้ในประวัติของตนที่ hmntl.illinois.edu งานวิจัยทางวิชาการและความร่วมมือกับภาคอุตสาหกรรมช่วยเร่งให้ CMOS พัฒนาจากแนวคิดไปสู่แพลตฟอร์มที่แทบจะเป็นมาตรฐานสากล บทความมุมมองล่าสุดในวารสาร Materials ระบุว่า CMOS ยังคงเป็นพื้นฐานหลักของระบบดิจิทัล ขณะที่มีการสำรวจวัสดุและอุปกรณ์ชนิดใหม่สำหรับการประมวลผลแอนะล็อก หน่วยความจำ และการประมวลผลแบบนิวโรมอร์ฟิก โดยมีเงื่อนไขว่าสามารถนำไปใช้กับกระบวนการผลิตที่เข้ากันได้กับ CMOS ได้ มุมมองดังกล่าวสะท้อนถึงความก้าวหน้าและความยืดหยุ่นของแพลตฟอร์มที่ซาช่วยวางรากฐานไว้

มรดกที่ปรากฏในโทรศัพท์ เครื่องบิน และตัวเร่งประมวลผล AI

อิทธิพลของซาปรากฏอยู่ในกระเป๋าและบนโต๊ะทำงานแทบทุกแห่ง ตรรกะดิจิทัลที่ประมวลผลคำสั่งซอฟต์แวร์ ชุดหน่วยความจำที่เก็บข้อมูล เซ็นเซอร์ที่บันทึกภาพ และวิทยุที่เชื่อมต่ออุปกรณ์ ล้วนพึ่งพาเทคนิค CMOS ตั้งแต่คอมพิวเตอร์ควบคุมการบินในเครื่องบิน ไปจนถึงระบบควบคุมในรถยนต์และยานอวกาศ นักออกแบบเลือก CMOS เพราะประหยัดพลังงาน เชื่อถือได้ และขยายขนาดได้

เทคโนโลยีในชีวิตประจำวันที่สร้างขึ้นบน CMOS

ชิปที่ขับเคลื่อนบริการคลาวด์และปัญญาประดิษฐ์ก็พัฒนามาจาก CMOS เช่นกัน ตัวเร่งประมวลผล H200 ของ Nvidia ซึ่งเป็นหนึ่งในผลิตภัณฑ์ที่โดดเด่นที่สุดในกลุ่มนี้ ผลิตด้วยเทคโนโลยีกระบวนการ CMOS ขั้นสูง การควบคุมการส่งออกชิปสมรรถนะสูงเหล่านี้กลายเป็นประเด็นตึงเครียดระหว่างสหรัฐฯ กับจีน แม้ภูมิรัฐศาสตร์จะซับซ้อน แต่รากฐานทางวิทยาศาสตร์นั้นเรียบง่าย หลักการสลับสถานะด้วยทรานซิสเตอร์คู่เติมเต็มที่ช่วยลดการใช้พลังงานและทำให้รวมวงจรได้หนาแน่น ซึ่งเป็นหัวใจของ CMOS คือสิ่งที่เชื่อมโยงความก้าวหน้าเหล่านี้เข้าด้วยกัน

เหตุใดการกลับบ้านครั้งนี้จึงมีความหมายต่อจีนในปัจจุบัน

การนำอัฐิของซากลับไปยังฝูเจี้ยนมีความหมายทั้งทางวัฒนธรรมและวิทยาศาสตร์ เขาเป็นศาสตราจารย์กิตติมศักดิ์ที่มหาวิทยาลัยเซียะเหมิน และเส้นทางจากปักกิ่งไปสู่ห้องปฏิบัติการวิจัยและห้องเรียนระดับโลกสะท้อนประวัติศาสตร์ของชาวจีนพลัดถิ่นในแวดวงวิทยาศาสตร์ตลอดศตวรรษที่ผ่านมา จีนกำลังลงทุนอย่างหนักในการศึกษา การวิจัย และการผลิตสารกึ่งตัวนำ แนวคิดพื้นฐานที่ซาพัฒนาต่อยอด เช่น ตรรกะแบบคู่เติมเต็มและการควบคุมฟิสิกส์ของอุปกรณ์อย่างแม่นยำ เป็นหัวใจสำคัญของความมุ่งหมายเหล่านั้น

การควบคุมการส่งออก การปรับเปลี่ยนห่วงโซ่อุปทาน และการแข่งขันผลิตชิปที่เล็กลง เร็วขึ้น และประหยัดพลังงานยิ่งขึ้น ทำให้สารกึ่งตัวนำกลายเป็นหัวใจของยุทธศาสตร์ระดับชาติ อย่างไรก็ตาม CMOS เป็นภาษากลางของวิศวกร ไม่ว่าจะอยู่ในปักกิ่ง ไทเป ซินจู โซล ออสติน หรือเดรสเดิน วิธีการและแบบจำลองที่ใช้อธิบายพฤติกรรมของทรานซิสเตอร์ล้วนได้รับการสอนและประยุกต์ใช้ในลักษณะคล้ายกัน พื้นฐานร่วมกันนี้เป็นส่วนหนึ่งของมรดกที่ซาทิ้งไว้ และจะยังคงชี้นำวิศวกรในการมุ่งสู่สมรรถนะใหม่ ๆ และการใช้พลังงานที่ต่ำลง

อธิบายวิทยาศาสตร์อย่างง่าย

MOSFET ซึ่งเป็นอุปกรณ์พื้นฐานภายใน CMOS คือสวิตช์ขนาดจิ๋วที่ควบคุมกระแสไฟฟ้าด้วยสนามไฟฟ้า ลองนึกภาพช่องนำกระแสในสารกึ่งตัวนำที่มีขั้วซอร์สและเดรนอยู่ที่ปลายทั้งสอง ด้านบนของช่องมีชั้นออกไซด์บาง ๆ ซึ่งเป็นฉนวนคั่นระหว่างช่องกับขั้วเกต เมื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้าให้เกต อุปกรณ์จะดึงดูดหรือผลักพาหะประจุภายในช่อง เมื่อแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าแรงดันขีดเริ่มนำกระแส จะเกิดทางนำกระแสและมีกระแสไหล หากต่ำกว่าค่านั้น ทางนำกระแสจะปิดและกระแสหยุดไหล ยกเว้นกระแสรั่วไหลปริมาณเล็กน้อย

MOSFET ทำหน้าที่อะไร

ในวงจรตรรกะ CMOS MOSFET ชนิด n จะดึงเอาต์พุตลงสู่กราวด์เมื่อสัญญาณขาเข้าสูง ส่วน MOSFET ชนิด p จะดึงเอาต์พุตขึ้นสู่แรงดันไฟเลี้ยงเมื่อสัญญาณขาเข้าต่ำ ทั้งสองทำงานสวนทางกัน ดังนั้นในสถานะตรรกะคงที่จึงมีเพียงตัวเดียวที่นำกระแส ส่งผลให้เกตตรรกะใช้พลังงานสถิตเกือบเป็นศูนย์ ซึ่งเป็นเหตุผลสำคัญที่ทำให้ CMOS กลายเป็นเทคโนโลยีที่ได้รับความนิยมสำหรับวงจรดิจิทัล

การใช้พลังงานและการย่อขนาด

การใช้พลังงานใน CMOS มีองค์ประกอบหลักสองส่วน พลังงานไดนามิกเกิดจากการประจุและคายประจุความจุไฟฟ้าขณะสลับสถานะ ส่วนพลังงานจากกระแสรั่วไหลเกิดจากกระแสปริมาณเล็กน้อยที่ยังไหลแม้ทรานซิสเตอร์ปิดอยู่ และมีความสำคัญมากขึ้นเมื่ออุปกรณ์มีขนาดเล็กลง วิศวกรลดการใช้พลังงานด้วยเทคนิควงจร เช่น การปิดสัญญาณนาฬิกาในส่วนที่ไม่ใช้งาน การปรับแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิก และการวางผังวงจรอย่างรอบคอบ รวมถึงการนำโครงสร้างอุปกรณ์ที่พัฒนาขึ้นมาใช้ ทรานซิสเตอร์ FinFET และ gate-all-around ช่วยควบคุมช่องนำกระแสได้ดีขึ้น ลดกระแสรั่วไหล และรองรับการย่อขนาดต่อไป ความน่าเชื่อถือก็สำคัญเช่นกัน นักออกแบบใส่โครงสร้างป้องกันเพื่อรับมือกับการคายประจุไฟฟ้าสถิต และคำนึงถึงความเค้นที่อาจทำให้เส้นโลหะเสื่อมสภาพตามกาลเวลา นอกเหนือจากตรรกะดิจิทัลแล้ว CMOS ยังรองรับฟังก์ชันแอนะล็อกความแม่นยำสูง การรับภาพ และวงจรวิทยุสำหรับ 5G รวมถึงการวิจัยเพื่อพัฒนา 6G จึงขยายอิทธิพลของซาไปสู่แทบทุกแขนงของอิเล็กทรอนิกส์

การไว้อาลัยและแผนการฝังอัฐิ

การนำอัฐิของซาไปยังฝูเจี้ยนทำให้เรื่องราวชีวิตของเขาหวนกลับมาบรรจบกันอีกครั้ง เขาเป็นนักวิทยาศาสตร์ที่มีผลงานระดับโลก โดยเริ่มต้นชีวิตในจีน สร้างผลงานจนเป็นที่ยอมรับในสหรัฐฯ และส่งอิทธิพลไปทั่วโลกผ่านลูกศิษย์ งานเขียน และผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ การฝังอัฐิในมณฑลบ้านบรรพบุรุษเป็นการยกย่องทั้งรากเหง้าส่วนตัวและความสำนึกร่วมในคุณูปการของเขา มหาวิทยาลัยเซียะเหมิน ซึ่งเขาเคยดำรงตำแหน่งกิตติมศักดิ์ เป็นหนึ่งในสถาบันที่ร่วมจดจำผลงานของเขา

จากโต๊ะทำงานในโรงงาน Fairchild สู่ห้องบรรยายและห้องปลอดฝุ่นทั่วโลก เส้นทางของ CMOS สะท้อนให้เห็นอิทธิพลของแนวคิดจากซา ทุกครั้งที่อุปกรณ์เริ่มทำงานได้รวดเร็วและใช้พลังงานเพียงเล็กน้อย ย่อมมีร่องรอยของความรู้ความเข้าใจที่เขามอบไว้ นั่นคือมรดกที่คงอยู่ยาวนานไม่ต่างจากซิลิคอนที่เขาช่วยหล่อหลอม

ประเด็นสำคัญ

• อัฐิของฉีถัง ซาถูกนำจากสหรัฐฯ กลับไปยังฝูเจี้ยนเพื่อประกอบพิธีฝัง
• ในปี 1963 ที่ Fairchild ซาและแฟรงก์ วันลาสส์ร่วมกันเสนอแนวคิด CMOS ซึ่งเป็นรากฐานของชิปสมัยใหม่
• หนังสือเรียนของโซริน วอยนิเกสคูระบุว่า ภายในปี 2011 วงจรรวมราว 99 เปอร์เซ็นต์ใช้ CMOS
• ซาสอนที่มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์และมหาวิทยาลัยฟลอริดา ตีพิมพ์ผลงานราว 280 เรื่อง และให้คำปรึกษาแก่นักศึกษาปริญญาเอก
• CMOS ทำให้เกิดวงจรตรรกะประหยัดพลังงานสำหรับโทรศัพท์ คอมพิวเตอร์ ระบบการบินและอวกาศ รวมถึงตัวเร่งประมวลผล AI อย่าง H200 ของ Nvidia
• การนำอัฐิกลับเกิดขึ้นท่ามกลางความพยายามของจีนในการขยายอุตสาหกรรมชิป และมาตรการควบคุมการส่งออกโปรเซสเซอร์ขั้นสูงที่ยังดำเนินอยู่
• ซาเป็นศาสตราจารย์กิตติมศักดิ์ที่มหาวิทยาลัยเซียะเหมิน และได้รับการจดจำทั้งในแวดวงวิชาการและอุตสาหกรรม
• ความก้าวหน้าอย่าง FinFET และ gate-all-around ยังคงยึดหลักการ CMOS เป็นหัวใจของชิปยุคใหม่