ทุกครั้งที่เราส่งข้อมูลปริมาณมหาศาลผ่านอินเทอร์เน็ต เปิดใช้งาน AI Model ขนาดใหญ่ หรือแม้แต่กดสตรีมวิดีโอความละเอียดสูง เบื้องหลังการทำงานเหล่านี้คือสายทองแดงและวงจรไฟฟ้าที่ทำหน้าที่ส่งสัญญาณมานานหลายทศวรรษ แต่ปริมาณข้อมูลที่เพิ่มขึ้นแบบก้าวกระโดดในยุค AI และ Data Center ขนาดใหญ่กำลังผลักดันให้สัญญาณไฟฟ้าเดินทางถึงขีดจำกัดทางกายภาพของตัวมันเอง ทั้งความเร็วที่ไม่พอ ความร้อนที่สะสม และพลังงานที่ต้องใช้มากขึ้นเรื่อยๆ คำตอบที่อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์เริ่มใช้งานจริงจังคือการเปลี่ยนตัวพาสัญญาณจากอิเล็กตรอนในสายทองแดงไปเป็นโฟตอนหรือ ‘แสง’ ซึ่งเดินทางได้เร็วกว่า ใช้พลังงานน้อยกว่า และไม่มีปัญหาความร้อนสะสมแบบไฟฟ้า เทคโนโลยีที่ทำให้แนวคิดนี้ผลิตได้จริงในระดับอุตสาหกรรมมีชื่อว่า Silicon Photonics
Silicon Photonics การต่อยอดสู่การประมวลผลด้วยแสง
Silicon Photonics (SiPh) คือแพลตฟอร์มการสร้างวงจรรวมทางแสง หรือ Photonic Integrated Circuit (PIC) บนแผ่นเวเฟอร์ Silicon ชนิด Silicon-on-Insulator (SOI) โดยอาศัยคุณสมบัติของ Silicon ที่โปร่งใสต่อแสงอินฟราเรด นักออกแบบวางชั้น Silicon Dioxide หรืออากาศล้อมรอบเส้นทางเดินแสง เพื่อสร้างส่วนต่างของค่าดัชนีหักเหแสง (Refractive Index) ที่สูงพอจะบังคับให้แสงเดินทางไปตามเส้นทางที่ออกแบบไว้โดยสูญเสียพลังงานน้อยที่สุด จุดสำคัญคือกระบวนการผลิตทั้งหมดใช้เทคนิคการผลิตเซมิคอนดักเตอร์แบบ CMOS ที่อุตสาหกรรมชิปใช้อยู่แล้ว ทำให้ SiPh ต่อยอดจากโครงสร้างพื้นฐานการผลิตที่มีอยู่แล้วทั่วโลก แทนที่จะต้องสร้างสายการผลิตใหม่ทั้งหมด
ความแตกต่างจาก Photonics แบบดั้งเดิมอยู่ที่ระดับการรวมวงจร ระบบ Optical Unit แบบเดิมนำอุปกรณ์ทางแสงแต่ละชิ้น เช่น เลเซอร์ ตัวกรองแสง หรือตัวตรวจจับแสง มาประกอบและยึดแยกกันไว้ในตัวเรือน ทำให้อุปกรณ์มีขนาดใหญ่และต้องใช้พลังงานแสงมากกว่าปกติในการส่งสัญญาณระหว่างชิ้นส่วน ขณะที่ PIC บน Silicon Photonics รวมส่วนประกอบทั้งหมด ไม่ว่าจะเป็น Waveguide ที่ทำหน้าที่เป็น ‘สายส่งแสง’, Optical Modulator ที่เข้ารหัสข้อมูลลงในลำแสง, Photodetector ที่แปลงแสงกลับเป็นสัญญาณไฟฟ้า, Optical Switch, Filter และ Coupler ไว้บนชิปเดียวกัน ทำให้อุปกรณ์มีขนาดเล็กลง ใช้พลังงานแสงน้อยลง และมีความเร็วในการส่งข้อมูลสูงกว่า 100 Gb/s ซึ่งเร็วกว่าระบบ Photonics แบบดั้งเดิมอย่างชัดเจน
ข้อจำกัดหนึ่งที่ควรเข้าใจไว้ตั้งแต่ต้นคือ Silicon ทำหน้าที่ ‘นำแสง’ และ ‘ปรับแสง’ ได้ดี แต่ไม่สามารถ ‘สร้างแสง’ หรือทำหน้าที่เป็นเลเซอร์ได้ด้วยตัวเอง แหล่งกำเนิดแสงในระบบ SiPh จึงยังต้องพึ่งพาสารกึ่งตัวนำกลุ่ม III-V เช่น Indium Phosphide หรือ Gallium Arsenide ซึ่งเป็นจุดที่ทำให้การออกแบบ SiPh มีความซับซ้อนมากกว่าที่คำว่า ‘Silicon’ เพียงคำเดียวจะบอกได้ทั้งหมด
SiPh ขับเคลื่อนโลกยุคใหม่อย่างไรถึงขาดเทคโนโลยีนี้ไม่ได้
แรงขับเคลื่อนสำคัญที่สุดของ Silicon Photonics ในวันนี้มาจากปัญหาคอขวดด้าน Bandwidth ใน Data Center ยิ่งหน่วยประมวลผลสำหรับงาน AI และ High-Performance Computing เร่งความเร็วขึ้นเท่าไร การส่งข้อมูลระหว่างชิปและระหว่างเซิร์ฟเวอร์ก็ยิ่งกลายเป็นจุดคอขวดมากขึ้นเท่านั้น การแทนที่สายเชื่อมต่อไฟฟ้าด้วย Optical Interconnect ที่ใช้ Silicon Photonics ช่วยให้ส่งข้อมูลได้เกิน 400 Gbps พร้อมลดการใช้พลังงานลงอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งกลายเป็นเงื่อนไขที่ผู้ให้บริการดาต้าเซ็นเตอร์รายใหญ่เริ่มมองเป็นความจำเป็น ไม่ใช่ทางเลือก
อีกสนามที่ SiPh มีบทบาทมานานคือระบบสื่อสารโทรคมนาคมผ่านใยแก้วนำแสง โดยเฉพาะ Optical Transceiver แบบ Single-Chip ที่ช่วยลดต้นทุนและขนาดของอุปกรณ์เครือข่าย ตัวอย่างที่จับต้องได้คือ Intel ที่เปิดตัวงานวิจัยตัวปรับสัญญาณแสง (Modulator) ขนาดเล็กลงถึง 1 ใน 1,000 เท่าจากรุ่นก่อนหน้าในปี 2563 และ NTT ของญี่ปุ่นที่พัฒนาโมดูลส่งสัญญาณแสงด้วย Silicon Photonics เพื่อรองรับเครือข่าย All-Photonics Network ที่ต้องการเปลี่ยนโครงข่ายสื่อสารทั้งระบบให้ทำงานด้วยแสงตั้งแต่ต้นทางถึงปลายทาง
นอกเหนือจากดาต้าเซ็นเตอร์และโทรคมนาคม SiPh ยังขยายไปสู่ระบบ LiDAR สำหรับยานยนต์ไร้คนขับและระบบช่วยเหลือผู้ขับขี่ (ADAS) โดยช่วยให้อุปกรณ์ตรวจจับระยะทางด้วยแสงมีขนาดเล็กลง ใช้พลังงานน้อยลง และไม่ต้องพึ่งกลไกหมุนแบบเดิมที่เปราะบางและราคาสูง ในด้านการแพทย์ Photonic Biosensor ที่สร้างจาก SiPh สามารถตรวจจับความเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของค่าดัชนีหักเหแสงเมื่อแสงผ่านตัวอย่างทางชีวภาพ ทำให้ตรวจพบตัวบ่งชี้ทางชีวภาพสำหรับวินิจฉัยโรคได้เร็วและแม่นยำขึ้น และในสนามที่ยังอยู่ระหว่างการวิจัยอย่างคอมพิวเตอร์ควอนตัม นักวิจัยในมหาวิทยาลัยและสถาบันวิจัยหลายแห่งกำลังทดลองใช้ PIC เป็นตัวพาและประมวลผลข้อมูล Quantum ด้วย Photon เช่นกัน
4 กำแพงสำคัญการเติบโตของ SiPh
แม้ Silicon Photonics จะเดินทางมาไกลตั้งแต่แนวคิดในทศวรรษ 1980 และมีตัวปรับสัญญาณแสงเชิงพาณิชย์ตัวแรกในปี 2548 แต่เทคโนโลยีนี้ยังเผชิญกำแพงสำคัญอย่างน้อย 4 ด้าน ก่อนจะขยายสู่การใช้งานระดับมวลชนได้เต็มรูปแบบ
กำแพงแรกคือข้อจำกัดของวัสดุ Silicon นำแสงและปรับแสงได้ดีแต่สร้างแสงเองไม่ได้ นักวิจัยจึงต้องผสานวัสดุอื่น เช่น Silicon Nitride หรือสารกึ่งตัวนำกลุ่ม III-V เข้าไปในกระบวนการผลิตเพื่อขยายช่วงความยาวคลื่นแสงที่ใช้งานได้ ซึ่งเพิ่มความซับซ้อนให้กับสายการผลิตที่เดิมออกแบบมาสำหรับ Silicon ล้วนๆ
กำแพงที่สองคือการสูญเสียพลังงานภายในวงจร ทุกจุดที่แสงต้องเลี้ยวโค้งใน Waveguide มีการสูญเสียพลังงานเป็นต้นทุนแฝง นักออกแบบต้องหาจุดสมดุลระหว่างความกะทัดรัดของวงจรกับปริมาณแสงที่สูญเสียไป ซึ่งไม่มีสูตรสำเร็จตายตัว ขึ้นอยู่กับลักษณะการใช้งานแต่ละประเภท
กำแพงที่สามคือต้นทุน แม้ SiPh จะถูกกว่าทางเลือกที่ใช้วัสดุอื่นทั้งหมด แต่ต้นทุนต่อชิปยังสูงเกินกว่าจะใช้งานแพร่หลายในระดับที่ตลาดต้องการ ตามการวิเคราะห์ของ Ansys อุตสาหกรรมต้องขยายกำลังผลิตจากระดับล้านชิ้นไปสู่ระดับพันล้านชิ้นต่อปี จึงจะทำให้ต้นทุนต่อหน่วยลดลงมากพอสำหรับการใช้งานใน Data Center และเครือข่ายโทรคมนาคมอย่างทั่วถึง
กำแพงสุดท้ายคือช่องว่างระหว่างผลจำลองกับผลจริงหลังการ Packaging วงจรที่ผสานทั้งส่วนไฟฟ้าและแสงบนชิปเดียวกันต้องบริหารความร้อนจากฝั่งอิเล็กทรอนิกส์ไม่ให้กระทบประสิทธิภาพฝั่ง Photonics และผลการจำลองในขั้นตอนออกแบบมักคลาดเคลื่อนจากประสิทธิภาพจริงหลังผลิตและ Packaging เสร็จสมบูรณ์ ทำให้การทดสอบและตรวจสอบคุณภาพยังเป็นเงื่อนไขที่อุตสาหกรรมต้องแก้ไปพร้อมกับการขยายกำลังการผลิต
แสงกำลังเขียนโครงสร้างพื้นฐานใหม่ของโลก คำถามที่เหลือคือใครจะมีที่ยืนในสมการนี้
ภายในเวลาไม่ถึงสองทศวรรษ Silicon Photonics เปลี่ยนสถานะจากงานวิจัยในห้องแล็บสู่เทคโนโลยีที่ขับเคลื่อน Data Center เครือข่ายโทรคมนาคม ยานยนต์ไร้คนขับ และก้าวแรกของคอมพิวเตอร์ Quantum ไปพร้อมกัน และดูเหมือนทิศทางนี้จะเร่งตัวเร็วขึ้นเรื่อยๆ ตามความต้องการประมวลผลข้อมูลของโลกที่ไม่มีทีท่าจะช้าลง
ห่วงโซ่การผลิตของ SiPh เกี่ยวพันกับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ที่มีอยู่แล้วโดยตรง ตั้งแต่ขั้นตอนออกแบบ ผลิตเวเฟอร์ ไปจนถึงการทดสอบและแพ็กเกจจิ้ง ซึ่งเป็นขั้นตอนที่หลายประเทศในภูมิภาคเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ รวมถึงไทย มีบทบาทอยู่แล้วในสัดส่วนหนึ่งของห่วงโซ่อุปทานโลก คำถามที่น่าสนใจคือ เมื่อแสงเข้ามาแทนที่ไฟฟ้าในบางจุดของวงจรมากขึ้นเรื่อยๆ ฐานการผลิตที่มีอยู่แล้วจะปรับตัวและต่อยอดไปกับเทคโนโลยีนี้ได้อย่างไร
อ้างอิง:
Ansys.com
Santec.com
Hitachi-Hightech.com
