‘นาโนเทคโนโลยี’ ย่อโลกลงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ปัจจุบัน นาโนเทคโนโลยีได้เข้ามามีส่วนในวงการอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์ซึ่งอยู่รอบๆ ตัวพวกเราแล้วหลายทศวรรษ ทั้งทางด้านหน่วยประมวลผล (Processing and Computing) ด้านการเก็บข้อมูล (Digital Storage) และด้านการติดต่อสื่อสาร (Communication and Networking)

สิ่งเหล่านี้ส่งผลให้โปรแกรมคอมพิวเตอร์ (Application) ในทุกวันนี้ทำงานได้รวดเร็วขึ้น เก็บข้อมูลได้มากขึ้น ใช้พลังงานน้อยลง มีขนาดเล็กลง และทำให้เราติดต่อสื่อสารกันได้อย่างสะดวกมากขึ้น

ดังนั้น จึงเป็นเรื่องน่ารู้ที่เราสมควรจะต้องทำความรู้จักกับนาโนเทคโนโลยีที่แท้จริงแล้วได้รับการคิดค้นและพัฒนามานานหลายทศวรรษแล้ว

ทั้งนี้ อุปกรณ์สำคัญชิ้นแรกที่จะกล่าวถึง นั่นก็คือ ไมโครโปรเซสเซอร์ (Microprocessor) ซึ่งถือเป็นหน่วยประมวลผลสำคัญของคอมพิวเตอร์ที่ถูกพัฒนาขึ้นเมื่อปี ค.ศ. 1971 หรือก็คือ Intel 4004 processor อันเป็นการพัฒนาต่อยอดจากการพัฒนาทรานซิสเตอร์ (Transistor) ที่ถูกประดิษฐ์ขึ้นเมื่อปี ค.ศ. 1947 และวงจรไอซี (Integrated Circuit) ที่ถูกพัฒนาขึ้นเมื่อปี 1958 โดยมีวัสดุกึ่งตัวนำ (Semiconductor Material) เป็นองค์ประกอบสำคัญที่ก่อให้เกิดอุตสาหกรรมผลิตวงจรจากสารกึ่งตัวนำ (Semiconductor Industry) ในซิลิคอน วัลเลย์ (Silicon Valley)

โดยอุตสาหกรรมดังกล่าวนี้มีทิศทางการพัฒนาชิปไมโครโปรเซสเซอร์เป็นไปตามกฎของมัวร์ (Moore’s law) (ตามภาพที่ 1) ที่ถูกทำนายโดย กอร์ดอน อี มัวร์ (Gordon E. Moore) ซึ่งเป็นผู้ร่วมก่อตั้งบริษัทผลิตชิปยักษ์ใหญ่อินเทล (Intel Corporation)

 

ตัวกฎกล่าวไว้ว่า “ทุกๆ สองปีความหนาแน่นของทรานซิสเตอร์ในวงจรไอซีจะเพิ่มเป็นสองเท่า” และกฎดังกล่าวนี้ถูกใช้เป็นแผนระยะยาวของการศึกษาวิจัยและพัฒนาในอุตสาหกรรมการผลิตวงจรจากสารกึ่งตัวนำมาอย่างช้านาน

สำหรับอุตสาหกรรมไอซีนี้ได้ใช้วีธีการดำเนินการผลิต (Manufacturing Process) ในระดับนาโน (800 nm) มาตั้งแต่ปี ค.ศ. 1989 นั่นก็คือไมโครชิป Intel 486 ที่มีจำนวนทรานซิสเตอร์จำนวนถึง 1,200,000 ตัว แต่อินเทลเริ่มผลิตและจัดจำหน่ายสินค้าตัวแรก Intel Pentium ที่ใช้วิธีการผลิตระดับนาโนในปี ค.ศ. 1993

ขณะที่ ณ ปัจจุบันบริษัทต่างๆ ได้ใช้เทคโนโลยีการผลิตที่เล็กลงไปอีกถึงระดับ 22 nm และสามารถบรรจุจำนวนทรานซิสเตอร์สูงสุดในหนึ่งชิปได้ถึง 7,100,000,000 ตัว ซึ่งผลิตโดยบริษัท โกลบอลฟาวด์ดรี่ส์ (GlobalFoundries) หรือบริษัทเก่าของไอบีเอ็ม (IBM)

ถึงแม้ว่ากฎนี้จะถูกใช้มาแล้วกว่าครึ่งศตวรรษ แต่คาดว่ากฎของมัวร์นี้ยังคงสามารถใช้ได้ถึงแค่ ค.ศ. 2015-2020 เท่านั้น เพราะเทคโนโลยีในอุตสาหกรรมสารกึ่งตัวนำดังกล่าว คงถูกจำกัดความสามารถการผลิตทรานซิสเตอร์ให้ได้เล็กที่สุดที่ประมาณ 5 นาโนเมตรเท่านั้น 

กระนั้น นักวิทยาศาสตร์และนักวิจัยก็ได้วางแผน ศึกษาหาทางออกของการสิ้นสุดของกฎของมัวร์ที่จะไปพัฒนาโปรเซสเซอร์โดยใช้หลักการใหม่ นั่นก็คือ กลศาสตร์ควอนตัม (Quantum Mechanics) ซึ่งอาศัยคุณสมบัติพิเศษของกลศาสตร์ควอนตัม เช่น การซ้อนทับ (Superposition) และ ความพัวพัน (Entanglement) เป็นต้น มาออกแบบระบบคอมพิวเตอร์เพื่อใช้ในการประมวลผลในอนาคต

อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีควอนตัมดังกล่าวที่ถูกพัฒนาโดยนีลส์ บอห์ร (Niels Bohr) และเพื่อนๆ นักวิจัยของเขานั้นยังไม่สมบูรณ์ กล่าวคือ ถึงแม้ว่าตัวทฤษฎีสามารถใช้ในการคำนวณหรือประเมินปรากฏการณ์ต่างๆ ระดับควอนตัมได้ แต่ยังไม่มีใครสามารถอธิบายหรือเข้าใจพฤติกรรมแปลกๆ ของควอนตัมได้อย่างแจ่มแจ้ง

ขณะเดียวกัน อีกด้านหนึ่งของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สำคัญกับเราในชีวิตประจำวัน คือ การเก็บข้อมูล (Data)

ทั้งนี้ จากภาพที่ 2 จะเห็นได้ว่าปริมาณความต้องการพื้นที่ในการจัดเก็บก็เพิ่มขึ้นทุกๆ ปี อีกทั้งรูปแบบการเก็บข้อมูลได้มีการเปลี่ยนแปลงรูปแบบการจัดเก็บข้อมูลจากในรูปแบบสัญญาณอะนาล็อก (Analog) ไปสู่การเก็บข้อมูลแบบดิจิทัล (Digital)

 

ยกตัวอย่างเช่น หนังสือ, Audio Cassette, Movie Film, Video Analog, Digital Tape, Floppy Disk, Compact Disc (CD), Digital Versatile Disc (DVD), Bluray, Handy Drive, Harddisk Drive, Solid State Drive (SSD), Magnetic Random Access Memory (MRAM) จนมาถึงการใช้เทคโนโลยี Spintronics ซึ่งเป็นการใช้ประโยชน์คุณสมบัติควอนตัมของอิเล็กตรอนคือการหมุนของอิเล็กตรอน ​(Electron Spin) มาประยุกต์ใช้ในการออกแบบอุปกรณ์การเก็บข้อมูลเพื่อให้ได้ความจุเพิ่มมากขึ้น

และด้วยนาโนเทคโนโลยีนี้เอง ที่จะทำให้เราได้เห็นอุปกรณ์เก็บข้อมูลขนาด 100 Terabyte (TB) ในขนาดอุปกรณ์เล็กเพียง 3.5 นิ้วเท่านั้น 

ยิ่งไปกว่านั้น ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการเก็บข้อมูลที่สำคัญดังกล่าว จะมีส่วนช่วยให้การทำ Cloud Storage และ Big Data ที่กำลังเข้ามามีบทบาทสำคัญต่อการดำเนินชีวิตของผู้คนในสังคมทุกๆ ด้าน  ไม่ว่าจะเป็นด้านการบริหารทรัพยากร การทำสำรวจตลาดของสินค้าและบุคคล การศึกษาโรคและงานวิจัย การบริหารดูแลสังคมและสิ่งแวดล้อม สามารถดำเนินการได้อย่างสะดวกง่ายดาย

นอกจากสองตัวอย่างหลักๆ ข้างต้น ก็ยังมีแอพพลิเคชั่นอื่นๆ ที่ได้รับใช้องค์ความรู้ของนาโนเทคโนโลยีมาช่วยในการศึกษาและพัฒนา นั่นก็คือ การพัฒนาจอแสดงผลของโทรทัศน์ คอมพิวเตอร์ มือถือ กล้องถ่ายรูป ฯลฯ ที่ได้มีการนำโครงสร้างฟิล์มบางระดับนาโนของโพลีเมอร์ (Polymer) เช่น Organic Light Emitting Diode (OLED) มาพัฒนาหน้าจอแสดงผลที่ทำให้การแสดงผลชัดเจน แสงสว่างเพียงพอ แถมยังมีขนาดบางมากๆ น้ำหนักเบา และใช้พลังงานน้อย จนกลายเป็นทีวีขนาดบางและมือถือขนาดเล็กได้ดังในปัจจุบันนั่นเอง