Central Processing Unit (CPU) หรือหน่วยประมวลผลกลาง จัดว่าเป็นเหมือนสมองของเครื่องคอมพิวเตอร์เลยก็ว่าได้ ทำหน้าที่ในการประมวลผล รันคำสั่งต่าง ๆ ภายในเครื่องคอมพิวเตอร์ของเรา เช่น การคำนวณทางคณิตศาสตร์ และการคิดคำนวณเชิงตรรกะ ทำให้เครื่องคอมพิวเตอร์สามารถทำงานได้อย่างที่เราเห็น แต่เคยสงสัยกันไหมว่า สมองที่ทรงพลังขนาดนี้อยู่ในแผงวงจรอันเล็ก ๆ แค่นั้น เขาผลิตขึ้นมาได้อย่างไร วันนี้จะมาเล่าให้อ่านกันว่า กว่าที่จะเป็น CPU ที่เราเห็นนั้น เขามีเทคนิคการผลิตอย่างไร
ภายใน CPU ประกอบด้วยแผงวงจรจำนวนมาก
ภายใน CPU แท้จริงแล้ว มันเป็นวงจรทางไฟฟ้าขนาดใหญ่ ๆ เราเรียกว่า เป็นวงจรดิจิทัล เช่นวงจร Full Adder ที่ทำให้เครื่องสามารถบวกเลขจำนวนเต็มได้ และยังมีวงจรที่สำคัญอื่น ๆ อีกมากมาย เช่น วงจรการดำเนินการทางคณิตศาสตร์สำหรับตัวเลขทศนิยมและวงจรสำหรับควบคุมหน่วยความจำ และระบบเชื่อมต่อต่าง ๆ
ในสมัยก่อน การผลิตนั้นง่ายมาก ๆ เพียงแค่เอาสายไฟเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ ให้ถูกต้องก็สามารถทำงานได้แล้ว คล้ายกับการต่อวงจรทางอิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบัน
แต่เมื่อ CPU ถูกพัฒนาขึ้นไปเรื่อย ๆ ส่วนประกอบต่าง ๆ มีความซับซ้อนมากขึ้น วิธีการการเชื่อมต่อแบบเดิม ๆ นั้นทำได้ยากมากขึ้น โอกาสความผิดพลาดสูงขึ้น และมีขนาดแผงวงจรที่ใหญ่ขึ้น กินไฟมากขึ้น จนทำให้จะต้องมีวิธีการผลิตอื่น ๆ เข้ามาช่วยทำให้เกิดพวก Integrated Circuit (IC) หรือ แผงวงจรรวมขึ้นมา คือการเอาส่วนประกอบต่าง ๆ ที่เคยใช้มารวมกันในแผงวงจรเดียว ทำให้ลดขนาดของวงจร กลับกันในแผงวงจรรวมขนาดเท่าเดิม ก็สามารถใส่ความซับซ้อนของวงจรได้มากขึ้น ส่งผลโดยตรงถึงประสิทธิภาพในการทำงาน
เวลาผ่านไป เรามีความต้องการในการใช้งาน CPU ที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้นเรื่อย ๆ แต่ถ้าเรามัวแต่เพิ่มวงจรเข้าไป CPU เรามีประสิทธิภาพสูงขึ้นจริง แต่แลกมากับการกินไฟ และความร้อนมหาศาล ทำให้ทางเลือกเดียวที่ทำได้คือ การย่อชิ้นส่วนต่าง ๆ ให้เล็กลงไปเรื่อย ๆ เช่นในปี 2010 บริษัทอย่าง Intel สามารถทำได้ในระดับ 32nm แต่เวลาผ่านไปเพียง 2 ปี (ในปี 2012) สามารถย่อลงไปได้เหลือ 14nm เท่านั้น เรียกว่า หายไปเกินครึ่งเลยทีเดียว กลับกัน หมุนเวลาผ่านไปจนถึงปัจจุบันในปี 2024 บริษัททางด้าน Semiconductor ยักษ์ใหญ่อย่าง TSMC สามารถผลิตได้อยู่ที่ 3nm ออกมาสู่ตลาดจริงแล้ว เราจะเห็นว่า ยิ่งเล็ก ก็ยิ่งย่อได้ยากขึ้นเรื่อย ๆ
วงจรเล็กขนาดนี้ เราผลิตมันได้อย่างไร ?
แต่เมื่อแต่ละชิ้นส่วนที่เราต้องใช้มันเล็กมากขนาดระดับนาโน ทำให้เกิดคำถามต่อว่า แล้วเราจะผลิตมันขึ้นมาได้อย่างไร
หลักการที่เราใช้ในการผลิต CPU ขึ้นมาสักตัว เราเรียกว่า Lithography ชื่ออาจจะดูยากแต่จริง ๆ แล้วหลักการนี้เราใช้กันมานานตั้งแต่สมัยโบราณ เป็นเทคโนโลยีที่ทำให้เราสามารถคัดลอกเอกสารหรือรูปภาพต่าง ๆ ทำโดยการสร้างรูหรือช่องเอาไว้ก่อนเป็น Pattern แล้วค่อยวาง Pattern ลงไปบนวัสดุที่ต้องการจะคัดลอกลงไป แล้วค่อยใช้หมึกกดลงไป หมึกที่ผ่านรูของ Pattern ก็จะถูกพิมพ์ลงไปบนวัสดุ แต่หมึกที่ไม่ผ่าน Pattern ก็จะไม่ลงไปบนวัสดุ
แต่มีการพัฒนามาเพื่อให้เราสามารถสร้างแผ่นวงจรอิเล็กทรอนิกส์ได้ด้วย แทนที่จะเป็นการพิมพ์ลงบนหิน หรือกระดาษ เราเปลี่ยนมาเป็นการพิมพ์ลงบนแผ่นเวเฟอร์ที่ผลิตจากสารกึ่งตัวนำ อย่าง ซิลิคอน เพื่อให้ได้ลวดลายเป็นวงจรตามที่ต้องการ แต่พอเราต้องการพิมพ์ลงไปบนซิลิคอนเราก็ไม่สามารถใช้หมึกได้เหมือนเดิม สิ่งที่เขาเอามาใช้แทนหมึกคือ แสง UV หรือ Ultraviolet เพราะมันเป็นแสงในย่านที่เรามองไม่เห็น มีพลังงานสูงกว่าช่วงแสงที่เรามองเห็นเพื่อทำให้ส่วนที่แสง UV โดนนั้นละลายแล้วค่อยใช้สารสำหรับล้างมันออกไป ทำให้เราได้แผงวงจรที่เราต้องการ แล้วค่อยตัดออกมาเป็นแต่ละชิ้นที่เราจะเอามาใช้งานจริง นอกจากนั้นในปัจจุบันที่เราข้ามไปถึงระดับ 3nm แล้ว การใช้แสง UV เฉย ๆ นั้นไม่สามารถทำให้เราสร้างวงจรที่เล็กขนาดนั้นได้ เขาจะต้องเพิ่มความถี่ของแสงเข้าไปอีกเป็น EUV (Extreme UV)
ปัจจุบันมีใครเป็นรายใหญ่ในการผลิต CPU บ้าง
ถ้าพูดถึง CPU เราอาจจะคิดว่าขาใหญ่ในวงการผลิตจริง ๆ ก็น่าจะเป็น Intel และ AMD แต่เอาเข้าจริงแล้ว มีผู้เล่นอีกรายที่เรียกว่ายักษ์ใหญ่และเนื้อหอมมาเจ้าหนึ่งในวงการนั่นคือ TSMC หรือ Taiwan Semiconductor Manufacturing Company เรียกว่าเป็นบริษัทที่เป็นเหมือน Freelance รับผลิตพวกหน่วยประมวลผลและวงจรรวมอันดับต้น ๆ ของโลกเลยก็ว่าได้
TSMC รับผลิตให้กับลูกค้าระดับโลกเยอะมาก เช่น AMD พวก CPU ที่เราใช้งานกันนั้น AMD ไม่ได้ผลิตเอง เขาเขียนแบบและพัฒนาโครงสร้าง แล้วเอาแบบที่ทำออกมาส่งให้กับ TSMC เป็นผู้ผลิตอีกที หรือกระทั่ง SoC ของ Apple เอง อย่าง Apple A17 Pro ที่อยู่บน iPhone 15 Pro และ Pro Max หรือ Apple M4 ที่อยู่บน iPad Pro ก็ถูกผลิตโดย TSMC เช่นเดียวกัน แต่ยังมีผู้ที่ทำเองจนถึงผลิตเองอย่าง Intel อยู่ เรียกว่าไม่พึ่งพาจมูกใครหายใจ
อาจจะสงสัยว่า ทำไมหลายบริษัทเลือกจ้างผลิตกับบริษัทอิสระเช่น TSMC แทนที่จะผลิตเอง นั่นเป็นเพราะ เครื่อง EUV ที่ใช้ในการผลิตพวก CPU ที่มีขนาดเล็กมาก ๆ มันหายากมาก สั่งเครื่องวันนี้กว่าจะได้เครื่องน่าจะอีกหลายปี ถ้าสั่งไประหว่างที่รอเกิดมีเครื่องรุ่นใหม่มาอีกก็แย่เลย และถึงเราจะมีเครื่อง EUV ในครอบครองแต่การที่จะผลิต Chip ได้อย่างมีประสิทธิภาพนั้นยังยากต้องอาศัยประสบการณ์เพิ่มเติมด้วย ทำให้ไปการไป Outsource กับบริษัทอย่าง TSMC ที่เขามีทั้งเครื่อง และ Know-How จึงเป็นตัวเลือกที่ดีกว่ามาก ๆ
แต่เชื่อหรือไม่ คนที่ใหญ่กว่าบริษัทผลิต CPU คือบริษัทผลิต CPU ชุบแป้งทอด จริง ๆ แล้วมันก็จริงสักครึ่งก็ได้ เพราะคนที่ใหญ่กว่าจริง ๆ คือบริษัทที่ผลิตเครื่อง EUV สำหรับใช้ผลิต CPU นั่นคือบริษัทที่ชื่อว่า Advanced Semiconductor Materials Lithography หรือที่เราเรียกย่อ ๆ ว่า ASML และคนที่ใหญ่กว่า ASML ก็ไม่ใช่หม้อทอด ASML แต่เป็นรัฐบาลสหรัฐ
เพราะ ณ วันนี้มีเพียงแค่บริษัท ASML เท่านั้นที่สามารถผลิตเครื่อง EUV ได้ จีนที่ว่าเป็นพี่ใหญ่ก็ยังทำไม่ได้ (หรือได้แล้วแต่เก็บเงียบกันนะ) นั่นเป็นเพราะสงครามเศรษฐกิจระหว่างสหรัฐกับจีนที่กำลังดุเดือด รัฐบาลสหรัฐสั่งห้ามไม่ให้ ASML ขายเครื่อง EUV ให้กับประเทศจีนเลย แต่ขายได้เพียงแค่เครื่อง DUV ที่เป็นรุ่นเก่า สามารถผลิต Chip ที่มีโครงสร้างที่ใหญ่กว่าเท่านั้น แต่ความตลกร้ายคือ จีนก็คือจีนของจริง เขาสามารถใช้เครื่อง DUV มาผลิต CPU ด้วยกระบวนการผลิตแบบ 5nm ซึ่งเดิมทีเครื่อง DUV ไม่ควรจะทำได้ และผู้เล่นในฝั่งจีนหนีไม่พ้น Semiconductor Manufacturing International Corporation (SMIC) ทำให้ฝั่งจีนเอง ถึงแม้ว่าจะไม่ได้เครื่อง EUV จาก ASML แต่ก็ยังเป็นผู้เล่นในตลาดที่น่ากลัวมากเลยทีเดียว
อนาคตต่อจากนี้จะเป็นอย่างไร ?
ต้องบอกเลยว่า เทคโนโลยีการผลิต Chip และ CPU ต่าง ๆ อยู่ในช่วงร้อนแรงมานานมาก ๆ แล้ว แค่เปลี่ยนจากเดิมเราตื่นเต้นกันว่า เราจะสามารถย่อมันได้เร็วแค่ไหน กลับกลายเป็นเราในฝั่งประเทศไทยนั่งมองสงครามเทคโนโลยีระหว่างประเทศมหาอำนาจแข่งกัน ขัดขากันว่าใครจะได้สวมมงผู้นำแห่งเทคโนโลยีไป ในอนาคตคาดว่าเราจะสามารถย่อขนาดของวงจรได้เล็กลงเรื่อย ๆ แต่อัตราการลดลงในแต่ละปีน่าจะใช้เวลายาวนานขึ้น อย่างแผนการพัฒนาของ TSMC เองบอกว่า น่าจะเริ่มมีการใช้งานเทคโนโลยีการผลิตแบบ 2nm ในช่วงปี 2025-2026 และฝั่ง Intel มีการประกาศออกมาแล้วด้วยว่า จาก 3nm ขั้นต่อไปเขาจะโดดไปเล็กระดับ Angstorm (1 Angstorm = 0.1nm) คาดว่าจะเปิดตัวในปี 2024 นี้ ทำให้ช่วงนี้ต้องยอมรับเลยว่าเป็นช่วงเวลาที่น่าตื่นเต้นสำหรับเทคโนโลยีการผลิต CPU มาก ๆ เรากำลังเข้าใกล้ 1nm มากขึ้นเรื่อย ๆ และกำลังจะเข้าสู่ระดับที่เล็กกว่า Nano ไปแล้ว ก็ต้องรอดูกันต่อไปว่า ในอนาคตเทคโนโลยี CPU ของเราจะเป็นอย่างไร
AUTHOR
I believe in technology and sharing, as they enable us with a better world via several clicks. Especially, programming is one of the most powerful tools which inspire people to make their dreams come true. I want to share, publicise and innovate new technology so as to change our world in the way we could hardly imagine.
Graphic Designer
