ในหัวข้อเซมิคอนดักเตอร์ เรากำลังพูดคุยกันมากมายเกี่ยวกับวัสดุ อุปกรณ์ การลงทุน ฯลฯ แต่ละหัวข้อมีจุดเน้นที่แตกต่างกัน วัสดุที่เราพูดถึงก็คือเซมิคอนดักเตอร์แบบแถบพลังงานกว้างรุ่นที่สาม ส่วนอุปกรณ์หลักๆ ก็คือ MOS, HEML ฯลฯ ที่ใช้พื้นฐานจากวัสดุ WBG ซึ่งเราได้พูดถึงไปแล้วก่อนหน้านี้ ผมจะไม่ลงรายละเอียดเกี่ยวกับการลงทุน แนวโน้มอุตสาหกรรม ข้อมูลบริษัท ตลาดหุ้น ฯลฯ วันนี้เราจะมาพูดถึงประวัติศาสตร์ของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์และเรียนรู้เกี่ยวกับต้นกำเนิดของอุตสาหกรรมนี้กัน    
           

หลอดสุญญากาศแบบไตรโอด "ก่อให้เกิดปัญหา"

พูดถึงหลอดสุญญากาศไตรโอด มันถูกคิดค้นโดยลี เดอฟอเรสต์ ในปี 1906 ซึ่งทำให้เครื่องใช้ไฟฟ้าในครัวเรือน เช่น วิทยุและโทรทัศน์ เป็นไปได้ นอกจากนี้ยังเป็นสมองของคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์เครื่องแรกของโลกด้วย มันกินพื้นที่เกือบ 140 ตารางเมตร และหนัก 30 ตัน ประกอบด้วยหลอดสุญญากาศเกือบ 19,000 หลอด และตัวต้านทานและตัวเก็บประจุอีกหลายพันชิ้น หลอดสุญญากาศไตรโอดประกอบด้วยตะแกรงและขั้วไฟฟ้าสองขั้วที่คั่นด้วยตะแกรงในพื้นที่ปิดผนึกด้วยกระจก ภายในพื้นที่ปิดผนึกเป็นสุญญากาศ ซึ่งป้องกันไม่ให้ส่วนประกอบไหม้และช่วยให้การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเป็นไปอย่างอิสระ  
   
อุปกรณ์นี้มีหน้าที่หลักสองอย่างคือ การสวิตช์และการขยายสัญญาณ การสวิตช์หมายถึงการเปิดและปิดกระแสไฟฟ้า และการขยายสัญญาณหมายถึงการขยายกระแสไฟฟ้าหรือสัญญาณขนาดเล็กโดยยังคงรักษาคุณลักษณะดั้งเดิมของสัญญาณไว้ อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์นี้ก็มีข้อเสียหลายประการ เช่น ขนาดใหญ่ การเชื่อมต่อหลวมง่าย อายุการใช้งานสั้น และเสื่อมสภาพเร็ว  
ข้อบกพร่องต่างๆ เหล่านี้ นำไปสู่การพัฒนาหรือการทดแทนอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ในปี 1949 จอห์น บาร์ดีน วอลเตอร์ แบรตติน และวิลเลียม ช็อกลีย์ แห่งเบลล์แล็บส์ ได้ประดิษฐ์เครื่องขยายสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ที่ทำจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เจอร์มาเนียม ซึ่งเป็นทรานซิสเตอร์รุ่นแรก (นักวิทยาศาสตร์ทั้งสามคนนี้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1956) เดิมทีทรานซิสเตอร์ถูกเรียกว่า "ตัวต้านทานการส่งผ่าน" และต่อมาได้เปลี่ยนชื่อเป็นทรานซิสเตอร์  
   
ทรานซิสเตอร์ชนิดนี้มีฟังก์ชันการทำงานของหลอดสุญญากาศ และเป็นแบบโซลิดสเตท ไม่มีสุญญากาศ มีข้อดีคือขนาดเล็ก น้ำหนักเบา กินไฟน้อย และอายุการใช้งานยาวนาน นับจากนั้นมา เราก็ได้เข้าสู่ "ยุคโซลิดสเตท" ซึ่งเป็นสิ่งที่เราได้เห็นมากที่สุดจนถึงปัจจุบัน  
การพัฒนาจากทรานซิสเตอร์ตัวแรกไปจนถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังหลายชนิดในปัจจุบัน ส่งผลให้เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์กำลังพัฒนาไปอย่างรวดเร็ว อุปกรณ์เหล่านี้โดยทั่วไปเรียกว่าอุปกรณ์แบบแยกชิ้น นั่นคือแต่ละชิปประกอบด้วยส่วนประกอบเพียงชิ้นเดียว อีกหนึ่งอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับเซมิคอนดักเตอร์ที่เรายังไม่ได้กล่าวถึงคือวงจรรวม (Integrated Circuit)      
       

ไอซี

วงจรรวม (Integrated circuit) คืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กที่ใช้กระบวนการเฉพาะในการเชื่อมต่อทรานซิสเตอร์ ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ ตัวเหนี่ยวนำ และส่วนประกอบและสายไฟอื่นๆ ที่จำเป็นในวงจรบนพื้นผิวเซมิคอนดักเตอร์ จากนั้นห่อหุ้มด้วยเปลือกทรงกระบอกเพื่อสร้างโครงสร้างขนาดเล็กที่มีฟังก์ชันวงจรที่ต้องการ  
วงจรรวมตัวแรกถูกประดิษฐ์ขึ้นโดยแจ็ค คิลบี แห่งบริษัทเท็กซัส อินสตรูเมนต์ แต่ไม่ใช่ในรูปแบบของวงจรรวมในปัจจุบัน  
เดิมทีอุปกรณ์เหล่านี้เชื่อมต่อกันด้วยสายไฟแยกกัน แต่ต่อมา Jean Horni จาก Fairchild Camera ได้พัฒนาวิธีการผลิตแบบระนาบที่สร้างจุดเชื่อมต่อทางอิเล็กทรอนิกส์บนพื้นผิวของชิปเพื่อสร้างทรานซิสเตอร์ โดยใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติที่ง่ายต่อการสร้างฉนวนซิลิคอนออกไซด์ของซิลิคอน จากนั้น Robert Noyce ได้นำเทคโนโลยีนี้มาประยุกต์ใช้เพื่อเชื่อมต่ออุปกรณ์แยกชิ้นที่ขึ้นรูปไว้ล่วงหน้าบนพื้นผิวซิลิคอน จนในที่สุดก็เกิดเป็นรูปแบบที่ใช้ในวงจรรวมทั้งหมด  
         

งานฝีมือและเทรนด์

นับตั้งแต่ปี 1947 อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ได้เริ่มมีการพัฒนาและปรับปรุงด้านเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่อง และยังคงพัฒนาต่อไปจนถึงปัจจุบัน การปรับปรุงกระบวนการสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภท ได้แก่ กระบวนการและโครงสร้าง  
การปรับปรุงกระบวนการผลิต: การผลิตอุปกรณ์และวงจรในขนาดที่เล็ลง ทำให้มีความหนาแน่นสูงขึ้น ปริมาณมากขึ้น และความน่าเชื่อถือสูงขึ้น  
การปรับปรุงโครงสร้าง: นวัตกรรมในการออกแบบอุปกรณ์ใหม่ช่วยให้มีประสิทธิภาพที่ดีขึ้น ควบคุมการใช้พลังงานได้ดีขึ้น และมีความน่าเชื่อถือสูงขึ้น  
ผลกระทบที่เกิดจากการปรับปรุงทั้งสองประการนี้สามารถเข้าใจได้เป็นอย่างดีจากประวัติการพัฒนาของ IGBT หลายรุ่น แน่นอนว่าปัจจัยหลายอย่างที่เรากล่าวถึงก่อนหน้านี้ เช่น ข้อบกพร่องบางอย่างในกระบวนการผลิตของอุปกรณ์ เป็นต้น สามารถนำมาอธิบายได้ด้วยการปรับปรุงกระบวนการผลิตเช่นกัน  
ขนาดและจำนวนอุปกรณ์ในวงจรรวม (Integrated Circuit หรือ IC) เป็นสองตัวบ่งชี้ทั่วไปของการพัฒนา IC ขนาดของอุปกรณ์แสดงด้วยขนาดที่เล็กที่สุดในการออกแบบ ซึ่งเราเรียกว่าขนาดของรูปแบบคุณลักษณะ (feature pattern size) การพัฒนาจากวงจรรวมขนาดเล็กไปจนถึงชิปขนาดล้านในปัจจุบันได้รับประโยชน์จากการลดขนาดของรูปแบบคุณลักษณะของส่วนประกอบแต่ละชิ้น ซึ่งได้รับประโยชน์จากการพัฒนาอย่างมากของกระบวนการสร้างรูปแบบด้วยเครื่องโฟโตลิโทกราฟีและเทคโนโลยีการเดินสายหลายชั้น เรื่องนี้มีการพูดถึงกันมากในปัจจุบัน เช่น ชิป 22 นาโนเมตร 10 นาโนเมตร หรือแม้แต่ 7 นาโนเมตร เป็นต้น การแสดงออกอย่างเป็นทางการมากขึ้นคือความกว้างของเกต (gate width) นั่นคือ เราควบคุมความกว้างของส่วนหนึ่งของเกต ทรานซิสเตอร์ที่เล็กกว่าและเร็วกว่า และวงจรที่มีความหนาแน่นสูงกว่าจะได้รับประโยชน์จากความกว้างของเกตที่เล็กลง เมื่อพูดถึงเรื่องนี้ ผมต้องกล่าวถึงคำว่า "กฎของมัวร์" ที่ผมเคยเห็นบ่อยๆ เมื่อไม่นานมานี้ กอร์ดอน มัวร์ หนึ่งในผู้ก่อตั้งอินเทล ได้ทำนายไว้ในปี 1965 ว่าจำนวนทรานซิสเตอร์บนชิปจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุกๆ 18 เดือน หลังจากผ่านการตรวจสอบจริงมาหลายปี อัตรานี้มีความแม่นยำค่อนข้างสูงและกลายเป็นพื้นฐานสำหรับการคาดการณ์ความหนาแน่นของทรานซิสเตอร์บนชิปในอนาคต ตามจำนวนอุปกรณ์ในวงจร หรือระดับการรวมวงจร เราสามารถแบ่งออกเป็นหลายระดับ ได้แก่ การรวมวงจรขนาดเล็ก (SSI): 2~50 หน่วย/ชิป; การรวมวงจรขนาดกลาง (MSI): 50~5000 หน่วย/ชิป; การรวมวงจรขนาดใหญ่ (LSI): 5000~100000 ชิ้น/ชิป; การรวมวงจรขนาดใหญ่มาก (VLSI): 100000~1000000 ชิ้น/ชิป; การรวมวงจรขนาดใหญ่มาก (ULSI): >1000000 ชิ้น/ชิป  
กฎของมัวร์ไม่ได้พัฒนาไปอย่างไม่มีขีดจำกัดตลอดเวลา มันถูกจำกัดเป็นหลักโดยข้อจำกัดของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์และกระบวนการผลิต ดังนั้นเราจึงมักได้ยินข่าวว่าวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ซิลิคอนกำลังเข้าใกล้ขีดจำกัด ด้วยเหตุนี้จึงจำเป็นต้องพัฒนาวัสดุใหม่และปรับปรุงอุปกรณ์และการออกแบบอย่างต่อเนื่อง  
         

ขนาดชิปและเวเฟอร์

เราทุกคนรู้ว่าชิปผลิตขึ้นจากแผ่นซิลิคอนหรือวัสดุเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ ที่บางมาก ซึ่งเรียกว่าเวเฟอร์  
 
การผลิตชิปรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าบนแผ่นเวเฟอร์ทรงกลมทำให้มีพื้นที่ใช้งานเหลืออยู่บริเวณขอบของเวเฟอร์ เมื่อขนาดของชิปใหญ่ขึ้น พื้นที่ใช้งานไม่ได้เหล่านี้ก็จะใหญ่ขึ้นด้วย ดังนั้นจึงมีการนำเวเฟอร์ขนาดใหญ่ขึ้นมาใช้มากขึ้น ซึ่งจะช่วย "ลด" ขนาดของชิปที่ซ่อนอยู่ และยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและผลผลิตในการผลิตอีกด้วย นี่เป็นหนึ่งในเหตุผลที่ทำให้ขนาดของเวเฟอร์เปลี่ยนจาก 6 นิ้วเป็น 8 นิ้ว และปัจจุบันเป็น 12 นิ้ว  
ชิปในปัจจุบันมีขนาดเล็ลงเรื่อยๆ ต้นทุนลดลงเรื่อยๆ และประสิทธิภาพสูงขึ้นเรื่อยๆ ทั้งหมดนี้เป็นผลมาจากการปรับปรุงกระบวนการผลิตและการพัฒนาอุปกรณ์ดังที่เราได้กล่าวถึงข้างต้น ซึ่งส่งผลให้การแข่งขันในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ทวีความรุนแรงมากขึ้นด้วย  
ในปัจจุบัน ผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์มีอยู่ประมาณ 3 ประเภท ได้แก่ ผู้ผลิตอุปกรณ์แบบครบวงจร (IDM): ที่รวมการออกแบบ การผลิต การบรรจุภัณฑ์ และการขายเข้าด้วยกัน; โรงหล่อ (Foundry): ที่ซัพพลายเออร์ชิปรายอื่นผลิตชิปให้; และแฟบเลส (Fabless): ที่รับผิดชอบเฉพาะการออกแบบชิปและการขายเท่านั้น โดยส่วนอื่นๆ ส่วนใหญ่จะจ้างภายนอก แน่นอนว่ายังมีรูปแบบอื่นๆ ที่ผสมผสานกันอยู่ ในขณะเดียวกัน การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ในประเทศก็ส่งผลให้มีผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์ในประเทศเพิ่มมากขึ้น และมีรูปแบบธุรกิจแบบองค์กรเพิ่มมากขึ้นเช่นกัน  
         

เขียนต่อท้าย

ในขณะนี้ การรวมศูนย์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ภายในประเทศถือเป็นแนวโน้ม และสิ่งนี้ไม่ได้ขึ้นอยู่กับจำนวนบริษัทในประเทศเพียงอย่างเดียว แต่ยังขึ้นอยู่กับว่าบริษัทเหล่านั้นจะสามารถอยู่รอดได้ในสภาพแวดล้อมที่ผันผวนนี้มากน้อยเพียงใด กล่าวโดยสรุป หากคุณมีเวลาที่จะโต้คลื่นและลม ก็จงกางใบเรือแล้วล่องเรือไปในทะเล!