ภารกิจเซมิคอนดักเตอร์ที่มุ่งประหยัดพลังงาน
เกาหลีใต้ตั้งเป้าเพิ่มประสิทธิภาพการประมวลผล AI จากปัจจุบันราว 2 โทเคนต่อวัตต์ เป็น 200 โทเคนต่อวัตต์ภายในปี 2035 โดยดึง Samsung Electronics, SK hynix และ Jusung Engineering ผู้ผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ เข้าร่วมภารกิจวิจัยของรัฐบาล แผนดังกล่าวผสานการเพิ่มประสิทธิภาพการประมวลผล 8.8 เท่า เข้ากับการลดการใช้พลังงาน 11.4 เท่า เพื่อให้ได้กำลังประมวลผลต่อวัตต์เพิ่มขึ้นราว 100 เท่า
สารบัญ
กระทรวงวิทยาศาสตร์และไอซีทีเปิดตัวคณะกรรมการบริหารและคณะกรรมการด้านเทคนิคสำหรับภารกิจเซมิคอนดักเตอร์ K Moonshot ที่กรุงโซลเมื่อวันที่ 14 ตุลาคม มีผู้เชี่ยวชาญมากกว่า 20 คนจากภาครัฐ ภาคอุตสาหกรรม มหาวิทยาลัย และสถาบันวิจัยเข้าร่วม ภารกิจของคณะกรรมการคือพัฒนาเทคโนโลยีพื้นฐานเพื่อรับมือกับข้อจำกัดสองประการที่เชื่อมโยงกันของการประมวลผล AI ได้แก่ พลังงานที่ใช้ในการเคลื่อนย้ายข้อมูล และความยากในการป้อนข้อมูลให้โปรเซสเซอร์ได้เร็วพอ
โครงการเซมิคอนดักเตอร์เป็นหนึ่งใน 12 ภารกิจของ K Moonshot ซึ่งเป็นโครงการที่ผสาน AI เข้ากับวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีเพื่อรับมือกับความท้าทายระดับชาติ เป้าหมายหลักคือสร้างระบบประมวลผลที่มีหน่วยความจำเป็นศูนย์กลาง แทนที่จะมองหน่วยความจำเป็นพื้นที่จัดเก็บแยกต่างหาก ซึ่งต้องส่งข้อมูลไปยังโปรเซสเซอร์อยู่ตลอดเวลา
กระทรวงจัดสรรงบประมาณ 25,000 ล้านวอนสำหรับโครงการสำคัญในปีถัดจากการเปิดตัว นี่เป็นงบจัดสรรเบื้องต้น ไม่ใช่งบประมาณที่ประกาศไว้สำหรับโครงการทั้งหมดจนถึงปี 2035 ความแตกต่างนี้สำคัญ เพราะงานที่เสนอครอบคลุมตั้งแต่อุปกรณ์และกระบวนการผลิต ไปจนถึงชุดหน่วยความจำ การบรรจุชิป และแพลตฟอร์มประมวลผลครบวงจร
เป้าหมายเพิ่มขึ้น 100 เท่าหมายถึงอะไร
ภารกิจนี้วัดเป้าหมายด้วยหน่วยโทเคนต่อวัตต์ โทเคนเป็นหน่วยของข้อความที่โมเดล AI เชิงกำเนิดจำนวนมากนำไปประมวลผล ซึ่งอาจเป็นคำทั้งคำหรือส่วนหนึ่งของคำ ในที่นี้ หน่วยวัดดังกล่าวใช้แสดงปริมาณการประมวลผล AI ที่ระบบทำได้เมื่อเทียบกับพลังงานที่ใช้
การคำนวณเบื้องหลังเป้าหมายนี้สอดคล้องกัน: 8.8 คูณ 11.4 เท่ากับ 100.32 ดังนั้น การเพิ่มประสิทธิภาพพร้อมกับลดพลังงานที่ต้องใช้ในการประมวลผลจึงทำให้ได้การปรับปรุงโดยประมาณตามที่ระบุไว้ การเพิ่มจาก 2 เป็น 200 โทเคนต่อวัตต์ก็เท่ากับเพิ่มขึ้น 100 เท่าเช่นกัน
ตัวเลขเหล่านี้เป็นเป้าหมายการวิจัย ไม่ใช่ผลลัพธ์จากชิปที่พัฒนาเสร็จแล้ว ประกาศไม่ได้ระบุว่าจะใช้โมเดล AI งานประมวลผล หรือรูปแบบการประมวลผลแบบใดในการวัดความสำเร็จ และไม่ได้ระบุด้วยว่าการวัดพลังงานจะครอบคลุมเฉพาะชิปแต่ละตัวหรือทั้งระบบในวงกว้าง รายละเอียดเหล่านี้จะมีความสำคัญต่อการเปรียบเทียบผลการสาธิตในอนาคตกับจุดเริ่มต้น
ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นไม่ได้หมายความว่าการใช้ไฟฟ้ารวมจะลดลงในสัดส่วนเดียวกันโดยอัตโนมัติ หากมีการประมวลผลงาน AI เพิ่มขึ้นอย่างมาก การใช้พลังงานรวมก็ยังเพิ่มขึ้นได้ คำมั่นที่วัดผลได้ของภารกิจนี้คือการประมวลผลให้ได้มากขึ้นต่อวัตต์ โดยมีเป้าหมายแยกสำหรับประสิทธิภาพและการใช้พลังงาน
เหตุใดหน่วยความจำจึงเป็นหัวใจสำคัญ
กระทรวงระบุว่าคอขวดของหน่วยความจำและการใช้พลังงานที่เพิ่มขึ้นเป็นข้อจำกัดหลัก ในการประมวลผลแบบดั้งเดิม โปรเซสเซอร์จะดึงข้อมูลจากหน่วยความจำซ้ำ ๆ และส่งผลลัพธ์กลับไป เมื่อโปรเซสเซอร์ทำงานได้เร็วกว่าความเร็วที่ข้อมูลจะส่งไปถึงได้ ความสามารถในการประมวลผลบางส่วนก็ไม่ได้ถูกใช้งาน การเคลื่อนย้ายข้อมูลเหล่านั้นยังใช้พลังงานด้วย
การประมวลผลที่มีหน่วยความจำเป็นศูนย์กลางมุ่งลดภาระดังกล่าว ด้วยการวางการประมวลผลไว้ภายในหน่วยความจำหรือใกล้หน่วยความจำมากขึ้น เป้าหมายนี้กว้างกว่าการทำให้ชิปหน่วยความจำเร็วขึ้น เพราะเกี่ยวข้องกับการปรับวิธีทำงานร่วมกันของการประมวลผล การจัดเก็บ และการเคลื่อนย้ายข้อมูล
แนวทางนี้เชื่อมโยงเป้าหมายเชิงตัวเลขทั้งสองข้อของภารกิจเข้าด้วยกัน การลดความล่าช้าในการเคลื่อนย้ายข้อมูลอาจช่วยให้โปรเซสเซอร์ทำงานได้มากขึ้น ขณะที่การลดหรือหลีกเลี่ยงการถ่ายโอนข้อมูลช่วยลดการใช้พลังงาน จำเป็นต้องมีการสาธิตเพื่อพิสูจน์ว่าเทคโนโลยีที่วางแผนไว้จะให้ประโยชน์ทั้งสองด้านได้ในระดับที่ต้องการหรือไม่
จุดเน้นของกระทรวงยังสะท้อนการขยายตัวของ AI ที่ไม่ได้จำกัดอยู่แค่โมเดลเชิงกำเนิดซึ่งทำงานในศูนย์ประมวลผลขนาดใหญ่ AI ที่ทำงานบนอุปกรณ์โดยตรงต้องอยู่ภายใต้ข้อจำกัดด้านแบตเตอรี่และความร้อน ส่วน AI เชิงกายภาพ รวมถึงหุ่นยนต์ ต้องผสานการประมวลผลที่ทันเวลากับการจัดการพลังงาน ประกาศไม่ได้กำหนดเป้าหมายประสิทธิภาพแยกสำหรับแอปพลิเคชันเหล่านี้ แต่ระบุว่าการเติบโตของแอปพลิเคชันดังกล่าวเป็นเหตุผลหนึ่งที่ต้องพัฒนาชิปให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น
ชุดหน่วยความจำที่ผสาน DRAM และ NAND
หนึ่งในโครงการสำคัญของภารกิจคือการพัฒนาหน่วยความจำแบนด์วิดท์สูงรูปแบบใหม่ หรือ HBM โดยจะนำ HBD ซึ่งเป็นส่วนประกอบหน่วยความจำที่ใช้ DRAM มาซ้อนในแนวตั้งร่วมกับ HBF ซึ่งใช้หน่วยความจำแฟลช NAND เป้าหมายคือผสานความเร็วของ DRAM เข้ากับความจุในการจัดเก็บข้อมูลที่มากกว่าของ NAND
DRAM เข้าถึงข้อมูลที่กำลังใช้งานได้รวดเร็ว ขณะที่หน่วยความจำแฟลช NAND จัดเก็บข้อมูลได้โดยไม่ต้องใช้พลังงานอย่างต่อเนื่อง ทั้งสองชนิดมีหน้าที่และคุณลักษณะการทำงานต่างกัน การนำมาผสานกันจึงซับซ้อนกว่าการเพิ่มชั้นเข้าไปในชุดหน่วยความจำที่มีอยู่เดิม
การออกแบบที่เสนอมานี้ตอบโจทย์ความจำเป็นในการทำให้ข้อมูล AI ปริมาณมากเข้าถึงได้ โดยไม่ปล่อยให้การถ่ายโอนข้อมูลระหว่างที่จัดเก็บ หน่วยความจำ และโปรเซสเซอร์กลายเป็นปัจจัยหลักที่จำกัดประสิทธิภาพและเพิ่มการใช้พลังงาน การซ้อนชั้นในแนวตั้งมีเป้าหมายรวมฟังก์ชันเหล่านี้ไว้ในโครงสร้างที่กะทัดรัดขึ้น
ประกาศไม่ได้ระบุความจุ แบนด์วิดท์ อัตราผลผลิตในการผลิต หรือเป้าหมายการวางจำหน่ายเชิงพาณิชย์ของโครงการหน่วยความจำนี้ จึงควรมองว่าเป็นแนวทางการพัฒนา ไม่ใช่การประกาศผลิตภัณฑ์ คุณค่าของโครงการจะขึ้นอยู่กับว่าหน่วยความจำแต่ละเทคโนโลยีทำงานร่วมกันได้ดีเพียงใด และชุดหน่วยความจำที่ได้จะมีประสิทธิภาพในระบบครบวงจรแค่ไหน
สามขั้นสู่ปี 2035
แผนงานแบ่งการพัฒนาออกเป็นสามขั้น เริ่มจากอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ขนาดเล็กมาก ต่อด้วยชิปซ้อนชั้น และปิดท้ายด้วยแพลตฟอร์มแบบบูรณาการ โดยกำหนดลำดับดังนี้:
- 14 ตุลาคม: กระทรวงเปิดตัวคณะกรรมการบริหารและคณะกรรมการด้านเทคนิคที่กรุงโซล
- ปี 2026 ถึง 2029: มุ่งพัฒนาอุปกรณ์และกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์ที่มีขนาดละเอียดเป็นพิเศษ
- ปี 2030 ถึง 2032: โครงการเดินหน้าพัฒนาเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์แบบซ้อนชั้น
- ปี 2033 ถึง 2035: มุ่งพัฒนาแพลตฟอร์มแบบบูรณาการและการสาธิตในระดับระบบ
- ปี 2035: ภารกิจตั้งเป้าไว้ที่ 200 โทเคนต่อวัตต์ เทียบกับจุดเริ่มต้นที่ระบุไว้ราว 2 โทเคนต่อวัตต์
รายงานระบุปีที่เปิดตัวไม่ตรงกัน แหล่งข่าวหนึ่งระบุชัดว่าเป็นวันที่ 14 ตุลาคม 2026 ขณะที่รายงานอื่นระบุเพียงวันที่ 14 ตุลาคมโดยไม่บอกปี จึงควรแยกวันที่เปิดตัวออกจากแผนงาน และไม่ควรใช้ปีที่ยังไม่แน่ชัดไปกำหนดวันที่ตามปฏิทินให้กับงบประมาณที่ระบุว่าจะจัดสรรในปีหน้า
ขั้นแรกครอบคลุมเทคโนโลยีอุปกรณ์และกระบวนการสำหรับวงจรที่มีขนาดต่ำกว่าหนึ่งนาโนเมตร หนึ่งนาโนเมตรเท่ากับหนึ่งในพันล้านเมตร ประกาศกำหนดทิศทางการวิจัยในระดับที่เล็กมากเป็นพิเศษ แต่ไม่ได้อธิบายอย่างชัดเจนว่าเป้าหมายดังกล่าวหมายถึงขนาดส่วนใด หรือระบุกำหนดการผลิตไว้
ขั้นสุดท้ายมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อเป้าหมายที่ภารกิจประกาศไว้ อุปกรณ์หรือส่วนประกอบหน่วยความจำที่มีแนวโน้มดีเพียงอย่างเดียวไม่อาจพิสูจน์ได้ว่าประสิทธิภาพการประมวลผลเพิ่มขึ้น 100 เท่า เทคโนโลยีเหล่านี้ต้องได้รับการผสานและทดสอบร่วมกัน เพื่อยืนยันประสิทธิภาพของแพลตฟอร์มที่ใช้งานได้จริง
การบรรจุชิปเป็นส่วนหนึ่งของแผนการประมวลผล
กระทรวงยังวางแผนพัฒนาการบรรจุชิปขั้นสูงที่ผสานซับสเตรตแก้ว การสื่อสารด้วยแสง และชิปประมวลผล การบรรจุชิปคือโครงสร้างที่เชื่อมต่อและรองรับชิป ช่วยให้ชิปแลกเปลี่ยนข้อมูลและทำงานเป็นระบบเดียวกัน ในภารกิจนี้ การบรรจุชิปเป็นส่วนหนึ่งของเทคโนโลยีที่จะพัฒนา ไม่ใช่เพียงขั้นตอนสุดท้ายหลังการผลิตชิป
การสื่อสารด้วยแสงใช้แสงในการส่งข้อมูล การบรรจุเทคโนโลยีนี้ไว้ในแผนทำให้การเชื่อมต่อระหว่างส่วนประกอบกลายเป็นอีกประเด็นวิจัยควบคู่ไปกับอุปกรณ์และหน่วยความจำ ซับสเตรตแก้วก็เป็นส่วนหนึ่งของงานผสานเทคโนโลยีที่วางแผนไว้เช่นกัน แม้ประกาศจะไม่ได้ให้รายละเอียดจำเพาะหรือผลวัดข้อได้เปรียบของการออกแบบที่เสนอ
ยุทธศาสตร์ในภาพรวมสะท้อนการเปลี่ยนแปลงที่กระทรวงกล่าวถึง นั่นคือการแข่งขันกำลังขยับพ้นจากการลดขนาดชิปเพียงชิ้นเดียว ไปสู่การผสานอุปกรณ์ กระบวนการผลิต หน่วยความจำ การบรรจุชิป และระบบ การพัฒนาส่วนประกอบหนึ่งอาจให้ประโยชน์จำกัด หากส่วนประกอบอื่นยังเป็นอุปสรรคต่อการเคลื่อนย้ายข้อมูลหรือใช้พลังงานมากเกินไป
ด้วยเหตุนี้ ภารกิจจึงรวมการสาธิตแบบบูรณาการที่สะท้อนความต้องการของภาคอุตสาหกรรมไว้ด้วย เป้าหมายคือทดสอบว่าเทคโนโลยีต่าง ๆ ทำงานร่วมกันได้ภายใต้สภาวะการประมวลผลที่ใช้งานได้จริงหรือไม่ แทนที่จะประเมินผลวิจัยแต่ละชิ้นจากประสิทธิภาพที่แยกออกจากกันเพียงอย่างเดียว
ใครเป็นผู้กำกับดูแลงานวิจัย
คิม จี-ยอง ผู้อำนวยการโครงการเซมิคอนดักเตอร์ เป็นประธานคณะกรรมการบริหาร ผู้เข้าร่วมประกอบด้วยกระทรวงวิทยาศาสตร์และไอซีที มูลนิธิวิจัยแห่งชาติเกาหลี Samsung Electronics, SK hynix และ Jusung Engineering ตลอดจนผู้เชี่ยวชาญจากภาควิชาการและสถาบันวิจัย
คณะกรรมการบริหารจะจัดทำและปรับปรุงแผนโครงการวิจัย พิจารณาประเด็นสำคัญในการดำเนินงาน และประสานการตัดสินใจ ส่วนคณะกรรมการด้านเทคนิคจะแยกต่างหาก โดยทำหน้าที่จัดทำแผนงานด้านเทคโนโลยี วางแผนโครงการโดยละเอียด ติดตามความคืบหน้าการวิจัย และกำกับเป้าหมาย โครงสร้างนี้แบ่งความรับผิดชอบระหว่างการกำหนดทิศทางโครงการกับการดำเนินงานด้านเทคนิค
ในการประชุมเปิดตัว ผู้เข้าร่วมได้หารือเรื่องลำดับความสำคัญของเทคโนโลยีหลัก เป้าหมายในแต่ละขั้น การเชื่อมโยงกับโครงการวิจัยเซมิคอนดักเตอร์ที่มีอยู่ และการสาธิตที่ตอบโจทย์ความต้องการของภาคอุตสาหกรรม คาดว่า Jusung Engineering จะมีส่วนร่วมในการพัฒนาอุปกรณ์และกระบวนการ โดยนำมุมมองของบริษัทผู้ผลิตอุปกรณ์เข้าสู่กลุ่มที่มีผู้ผลิตหน่วยความจำรายใหญ่ร่วมอยู่ด้วย
คิม ซอง-ซู เจ้าหน้าที่กระทรวงที่รับผิดชอบนโยบายวิจัยและพัฒนา กล่าวว่า ภารกิจนี้ควรเชื่อมโยงงานวิจัยพื้นฐานเข้ากับขีดความสามารถในการแข่งขันของภาคอุตสาหกรรม:
เราจะผนึกศักยภาพของภาคอุตสาหกรรม สถาบันการศึกษา และสถาบันวิจัย เพื่อเร่งสร้างความพร้อมด้านเทคโนโลยีพื้นฐานสำหรับเซมิคอนดักเตอร์แห่งอนาคต และทำให้ผลการวิจัยต่อยอดไปสู่ขีดความสามารถในการแข่งขันของภาคอุตสาหกรรม ผ่านภารกิจเซมิคอนดักเตอร์ K-Moonshot
การเปิดตัวคณะกรรมการเป็นการวางโครงสร้างกำกับดูแล แต่ไม่ได้หมายความว่าเทคโนโลยีที่เสนอพร้อมเข้าสู่การผลิตแล้ว หรือบริษัทที่เข้าร่วมได้ให้คำมั่นว่าจะพัฒนาผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ใดโดยเฉพาะ
เงินทุนภาครัฐและการตัดสินใจที่ยังรออยู่
กระทรวงคาดว่าการลงทุนภาครัฐจะช่วยสนับสนุนเทคโนโลยีที่มีต้นทุนสูงและความเสี่ยงทางเทคนิคมาก รวมถึงงานวิจัยที่บริษัทอาจระดมทุนได้ยากหากต้องทำเพียงลำพัง มหาวิทยาลัย บริษัท และสถาบันวิจัยจะร่วมกันพัฒนาเทคโนโลยีพื้นฐาน ขณะที่ภาครัฐและภาคอุตสาหกรรมจะตรวจสอบและยืนยันผลผ่านโครงการวิจัยร่วมกัน
งบจัดสรร 25,000 ล้านวอนเป็นเงินทุนเริ่มต้นสำหรับภารกิจนี้ ประกาศไม่ได้ระบุงบประมาณรวมจนถึงปี 2035 การแบ่งสรรเงินระหว่างผู้เข้าร่วม หรือจำนวนเงินลงทุนสมทบจากภาคเอกชน การขาดรายละเอียดเหล่านี้ทำให้ยังประเมินขนาดของโครงการทั้งหมดได้จำกัด
รายละเอียดทางเทคนิคหลายประการยังไม่ได้เปิดเผยต่อสาธารณะ ได้แก่ เกณฑ์มาตรฐานในการวัดโทเคนต่อวัตต์ ขอบเขตที่แน่ชัดของการวัดพลังงาน ข้อมูลจำเพาะของชุดหน่วยความจำ DRAM และ NAND แบบผสาน และหลักเกณฑ์ในการรับรองการสาธิตแบบบูรณาการ การตัดสินใจเหล่านี้เป็นเรื่องสำคัญในทางปฏิบัติ เพราะจะกำหนดว่าสามารถวัดความคืบหน้าเทียบกับเป้าหมายหลักได้อย่างสม่ำเสมอหรือไม่
แผนงานระบุช่วงเวลาการพัฒนาในภาพรวม แต่ไม่มีวันกำหนดสำหรับการประชุมพิจารณาเพิ่มเติม การตัดสินใจเรื่องงบประมาณ หรือการเปิดตัวผลิตภัณฑ์ งานสำคัญในขั้นต่อไปเป็นหน้าที่ของคณะกรรมการ ได้แก่ การแปลงภารกิจให้เป็นโครงการที่มีรายละเอียด กำหนดเป้าหมายที่วัดผลได้ และเชื่อมโยงงานวิจัยเข้ากับโครงการที่มีอยู่ บททดสอบสำคัญคือความก้าวหน้าในด้านหน่วยความจำ อุปกรณ์ และการบรรจุชิปจะนำมาผสานกันแล้วเพิ่มประสิทธิภาพได้ตามที่ให้คำมั่นไว้หรือไม่
ประเด็นสำคัญ
- เกาหลีใต้ตั้งเป้าเพิ่มประสิทธิภาพการประมวลผล AI จากราว 2 เป็น 200 โทเคนต่อวัตต์ภายในปี 2035
- เป้าหมายนี้ผสานการเพิ่มประสิทธิภาพการประมวลผล 8.8 เท่า เข้ากับการลดการใช้พลังงาน 11.4 เท่า
- Samsung Electronics, SK hynix และ Jusung Engineering เข้าร่วมกับภาครัฐ มหาวิทยาลัย และสถาบันวิจัย
- ชุดหน่วยความจำที่เสนอจะผสาน HBD ที่ใช้ DRAM เข้ากับ HBF ที่ใช้ NAND
- แผนงานครอบคลุมเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ขนาดละเอียดในปี 2026 ถึง 2029 ชิปซ้อนชั้นในปี 2030 ถึง 2032 และแพลตฟอร์มแบบบูรณาการในปี 2033 ถึง 2035
- กระทรวงจัดสรรงบประมาณ 25,000 ล้านวอนสำหรับโครงการสำคัญเบื้องต้น แต่ยังไม่ได้ระบุงบประมาณรวมจนถึงปี 2035
- ยังไม่มีการระบุรายละเอียดเกณฑ์มาตรฐานและกำหนดการวางจำหน่ายเชิงพาณิชย์
