รู้จัก High-NA EUV เครื่องพิมพ์ชิปเปลี่ยนโลก นวัตกรรมแสนล้านจาก ASML

ท่ามกลางกระแสการเปลี่ยนผ่านทางเทคโนโลยีที่ก้าวหน้าไปอย่างรวดเร็วในปัจจุบัน อุตสาหกรรมหนึ่งที่เป็นหัวใจสำคัญในการขับเคลื่อนนวัตกรรมเปลี่ยนโลก ตั้งแต่สมาร์ตโฟน ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ ไปจนถึงระบบปัญญาประดิษฐ์ขั้นสูง คือ อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ หรือการผลิต "ชิปคอมพิวเตอร์" ซึ่งในปัจจุบัน สมรภูมินี้ไม่ได้แข่งขันกันเพียงแค่สถาปัตยกรรมภายในชิปเท่านั้น แต่หัวใจสำคัญอยู่ที่เทคโนโลยีการผลิตฮาร์ดแวร์ขั้นสูง และไม่มีนวัตกรรมเครื่องจักรใดในโลกที่จะทวีความสำคัญและมีมูลค่ามหาศาลไปกว่าเครื่องพิมพ์ชิประบบ High-NA EUV (High Numerical Aperture Extreme Ultraviolet) ซึ่งเป็นเทคโนโลยีระดับแสนล้านบาทที่มีบริษัทเพียงแห่งเดียวบนโลกใบนี้ที่สามารถวิจัย พัฒนา และผลิตขึ้นมาได้สำเร็จ นวัตกรรมชิ้นนี้จึงเปรียบเสมือนกุญแจดอกสำคัญที่จะนำพามนุษย์ก้าวเข้าสู่ยุคอังสตรอม (Ångström Era) อย่างเป็นทางการ

จุดกำเนิดกลไกฟิสิกส์ระนาบนาโน อะไรคือเทคโนโลยี High-NA EUV?

ในการทำความเข้าใจมิติความล้ำหน้าของนวัตกรรมเปลี่ยนโลกนี้ จำเป็นต้องพิจารณากระบวนการผลิตชิปแบบดั้งเดิมที่เรียกว่า ลิโทกราฟี (Lithography) หรือการพิมพ์ลายวงจรลงบนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน กระบวนการนี้เปรียบเสมือนการฉายแสงผ่านแผ่นฟิล์มที่มีลวดลายวงจรขนาดเล็ก เพื่อให้แสงไปตกกระทบและสร้างทางเดินกระแสไฟฟ้าบนซิลิคอน ยิ่งวิศวกรสามารถพิมพ์ลวดลายเส้นนำไฟฟ้าให้มีความเล็กและบางลงเท่าใด ก็จะยิ่งสามารถบรรจุตัวทรานซิสเตอร์ ลงไปได้หนาแน่นมากขึ้นเท่านั้น ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อความเร็วในการประมวลผลและการประหยัดพลังงานของตัวชิปตามหลักการของกฎของมัวร์ (Moore's Law)

ระบบพิมพ์ชิปยุคก่อนหน้าใช้เทคโนโลยีที่เรียกว่า Low-NA EUV หรือระบบแสงยูวีความยาวคลื่นสั้นพิเศษที่มีค่ารูรับแสงสัมพัทธ์ (Numerical Aperture: NA) อยู่ที่ 0.33 NA ซึ่งมีขีดจำกัดในการพิมพ์ลายวงจรอยู่ที่ระดับ 3 นาโนเมตร แต่เมื่ออุตสาหกรรมต้องการก้าวข้ามไปสู่ระดับที่เล็กกว่า 2 นาโนเมตร เทคโนโลยีเดิมจึงเริ่มเผชิญกับทางตันทางฟิสิกส์เนื่องจากการหักเหของแสง บริษัท ASML (Advanced Semiconductor Materials Lithography) แห่งเมืองเวลด์โฮเวน (Veldhoven) ประเทศเนเธอร์แลนด์ จึงได้พัฒนาระบบสถาปัตยกรรมรุ่นใหม่ล่าสุดอย่าง TWINSCAN EXE ซีรี่ส์ ซึ่งทำการเพิ่มค่ารูรับแสงขึ้นเป็น 0.55 NA หรือที่เรียกว่า High-NA EUV ได้สำเร็จเป็นครั้งแรก

กลไกการทำงานของระบบ High-NA EUV นี้ อาศัยการรวมแสงเลเซอร์ความยาวคลื่นสั้นพิเศษระดับเอกซ์ตรีมยูวีที่ 13.5 นาโนเมตร ฉายผ่านระบบเลนส์และกระจกเงาที่มีขนาดใหญ่ขึ้นและมีความโค้งมนเที่ยงตรงสูงในระดับต่ำกว่าอะตอม ส่งผลให้ชิปเมกเกอร์สามารถพิมพ์ลวดลายเส้นวงจรที่มีความละเอียดสูงถึง 8 นาโนเมตร ได้ภายใต้การฉายแสงเพียงครั้งเดียว ซึ่งช่วยเพิ่มความหนาแน่นของทรานซิสเตอร์ขึ้นสูงถึง 2.9 เท่า เมื่อเปรียบเทียบกับระบบเดิม และช่วยลดความซับซ้อนของขั้นตอนกระบวนการผลิตในโรงงานได้อย่างมหาศาล

บทความที่น่าสนใจของ PPTV HD 36

• TSMC เตรียมผลิตชิปขนาด 2 นาโนเมตร เล็งใช้บน iPhone ภายในปี 2025

• สงครามชิปเดือด! สหรัฐ-จีน ชิงเจ้าโลกยุค AI จับตากระทบไทย

• “เอกนิติ-บีโอไอ” ถกผู้ผลิตชิปสหรัฐฯ เปิดเกมรุกดึงลงทุนไทย

• จับตาดาต้าเซ็นเตอร์หมื่นล้าน! อาวุธดึงเม็ดเงินลงทุนต่างชาติเข้าไทย

ความร่วมมือระดับโลกและนวัตกรรมกระจกเงา Anamorphic ของ ZEISS

หนึ่งในความท้าทายที่ยากที่สุดในการพัฒนาระบบ High-NA EUV คือการปรับขนาดของเลนส์และกระจกสะท้อนแสง เนื่องจากเมื่อค่า NA เพิ่มขึ้นเป็น 0.55 มุมของแสงที่ตกกระทบลงบนแผ่นหน้ากากวงจร จะมีความเอียงมากขึ้น หากใช้ระบบกระจกเงาสะท้อนแบบเดิม แสงจะเกิดการบดบังกันเองและทำให้ภาพลวดลายวงจรบิดเบี้ยวผิดเพี้ยนไปจากพิมพ์เขียว เพื่อแก้ไขปัญหาวิศวกรรมฟิสิกส์ข้อนี้ ASML ได้จับมือเป็นพันธมิตรระยะยาวกับบริษัท Carl Zeiss ผู้ผลิตเลนส์และระบบออปติกส์ชั้นนำจากประเทศเยอรมนี เพื่อพัฒนานวัตกรรมที่เรียกว่า กระจกเงาอนามอร์ฟิก

ระบบเลนส์และกระจกเงาอนามอร์ฟิกนี้ มีกลไกการขยายภาพที่ไม่เท่ากันในแนวแกน โดยจะทำการขยายภาพในแนวตั้งเป็น 4 เท่า (4x) แต่ขยายภาพในแนวนอนเพิ่มขึ้นเป็น 8 เท่า (8x) ระบบออปติกส์อัจฉริยะนี้ช่วยให้โรงงานผลิตชิปสามารถใช้แผ่นหน้ากากวงจรขนาดมาตรฐานเดิมต่อไปได้ โดยไม่ต้องเปลี่ยนระบบนิเวศการผลิตหน้ากากใหม่ทั้งหมด ทว่าข้อจำกัดคือขนาดของพื้นที่ฉายแสงบนเวเฟอร์จะลดลงเหลือเพียงครึ่งหนึ่งของระบบเดิม วิศวกรของ ASML จึงต้องทำการออกแบบกลไกแท่นวางเวเฟอร์ และแท่นวางหน้ากาก ขึ้นใหม่ทั้งหมด ให้มีความเร็วในการเคลื่อนที่สูงขึ้นกว่าเดิมถึง 3 เท่า พร้อมระบบควบคุมความเร่งที่มีความแม่นยำสูงในระดับไมโครเมตร เพื่อให้เครื่องจักรสามารถคงอัตรากำลังการผลิตไว้ได้ที่ระดับมากกว่า 150-200 แผ่นเวเฟอร์ต่อชั่วโมง ซึ่งถือเป็นความสำเร็จขั้นสูงสุดในเชิงพาณิชย์

จากรายงานข้อมูลอย่างเป็นทางการโดย ทีมวิศวกรผู้เชี่ยวชาญของ ASML ในบทความเปิดตัวระบบสถาปัตยกรรม TWINSCAN EXE:5000 ได้ระบุชัดเจนว่า ระบบกระจกเงาอนามอร์ฟิกนี้มีระดับความเรียบเนียนของพื้นผิวที่สูงมาก หากเปรียบเทียบกระจกเงาชิ้นนี้ให้มีขนาดใหญ่เท่ากับประเทศเยอรมนี พื้นผิวจะมีความนูนหรือขรุขระสูงที่สุดไม่เกินเพียงไม่กี่มิลลิเมตรเท่านั้น ความเรียบเนียนระดับอะตอมนี้เป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งในการป้องกันไม่ให้เกิดความผิดเพี้ยนของลำแสงยูวีความยาวคลื่นสั้นพิเศษในระหว่างกระบวนการผลิตชิป

มิติโลจิสติกส์และความซับซ้อนระดับอภิมหาโปรเจกต์

ความยิ่งใหญ่ของเครื่องพิมพ์ชิป High-NA EUV ไม่ได้หยุดอยู่แค่ความละเอียดในแผงวงจร แต่ขนาดและน้ำหนักของโครงสร้างเครื่องจักรก็ถือเป็นอภิมหาโปรเจกต์ทางวิศวกรรมที่ต้องใช้การวางแผนโลจิสติกส์ระดับโลก เครื่องจักรระบบ High-NA EUV หนึ่งเครื่องเมื่อประกอบเสร็จสมบูรณ์จะมีขนาดใหญ่เทียบเท่ากับรถบัสสองชั้น และมีน้ำหนักรวมมากกว่า 150 ตัน (150,000 กิโลกรัม)

ในการขนส่งเครื่องพิมพ์ชิปมูลค่ามหาศาลนี้จากโรงงานในเนเธอร์แลนด์ไปยังโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์ของลูกค้า เช่น โรงงานของ Intel ในรัฐออริกอน สหรัฐอเมริกา หรือโรงงานของ TSMC ที่ไต้หวัน ไม่สามารถขนส่งได้ในคราวเดียว เครื่องจักรจะถูกแยกชิ้นส่วนออกเป็นโมดูลย่อยๆ บรรจุลงในตู้คอนเทนเนอร์ขนส่งสินค้าทางอากาศชนิดพิเศษมากกว่า 250 กล่อง และต้องใช้เครื่องบินขนส่งสินค้าขนาดใหญ่ยักษ์อย่าง Boeing 747 จำนวนถึง 3 ลำ ในการบินขนส่งข้ามทวีป เมื่อชิ้นส่วนเดินทางไปถึงปลายทาง ทีมวิศวกรผู้เชี่ยวชาญของ ASML จะต้องใช้เวลาในการประกอบ ติดตั้ง ทดสอบระบบ และปรับแต่งค่าความแม่นยำภายในห้องสะอาดปลอดเชื้อ นานต่อเนื่องกันเป็นเวลาหลายเดือนจึงจะพร้อมใช้งานในกระบวนการผลิตจริง

บทความที่น่าสนใจของ PPTV HD 36

• เปิดตัวชิป "Dimensity 9300" มาพร้อมขุมพลังโหด-ฟีเจอร์จับตำแหน่งด้วย AI

• Nvidia ยักษ์ใหญ่ชิป AI บนทางปืนสหรัฐฯ-จีน | ทันโลก DAILY | 21 เม.ย.68

• Nvdia เปิดตัวชิป-ระบบ AI ฝึกหุ่นยนต์ | ทันโลก DAILY | 8 ม.ค. 68

• อาชีพดาวรุ่งยุค AI อัปสกิลทักษะใหม่ที่คนไทยต้องมี ก่อนตกงาน

ตารางเปรียบเทียบข้อมูลทางเทคนิคและสถาปัตยกรรมระบบพิมพ์ชิปของ ASML

เพื่อให้เห็นภาพการพัฒนาที่ก้าวกระโดดและการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างวิศวกรรม สามารถพิจารณาข้อแตกต่างระหว่างระบบพิมพ์ชิปรุ่นเดิมและรุ่น High-NA ปัจจุบันได้จากตารางสรุปข้อมูลดังต่อไปนี้

การผูกขาดอย่างเบ็ดเสร็จและผลกระทบเชิงภูมิรัฐศาสตร์โลก

ประเด็นที่น่าสนใจที่สุดของนวัตกรรม High-NA EUV ไม่ได้จำกัดอยู่เพียงแค่ความซับซ้อนทางเทคโนโลยีเท่านั้น แต่คือสภาวะ "การผูกขาดทางการค้าอย่างเบ็ดเสร็จ" ของบริษัท ASML เนื่องจากในอุตสาหกรรมเทคโนโลยีระดับสูงนี้ ไม่มีบริษัทใดในโลก ไม่ว่าจะเป็นแคนนอน หรือนิคอน จากประเทศญี่ปุ่น ที่มีเงินทุน โครงข่ายพันธมิตรซัพพลายเชน ตลอดจนสิทธิบัตรงานวิจัยมากพอที่จะสามารถสร้างเครื่องจักรประเภทนี้ขึ้นมาแข่งขันได้ ส่งผลให้ ASML กลายเป็นผู้ควบคุมชะตากรรมและทิศทางการเติบโตของเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์และปัญญาประดิษฐ์ของมนุษยชาติแต่เพียงผู้เดียว

สภาวะการผูกขาดนี้ทำให้เครื่องพิมพ์ชิป High-NA EUV กลายเป็นชนวนเหตุสำคัญและเป็นเป้าหมายสูงสุดใน สงครามชิป ระหว่างชาติมหาอำนาจอย่างสหรัฐอเมริกาและจีน รัฐบาลสหรัฐฯ ร่วมกับสหภาพยุโรปได้ประกาศใช้มาตรการควบคุมการส่งออกเทคโนโลยีขั้นสูงอย่างเข้มงวด โดยสั่งห้ามไม่ให้ ASML ส่งออกเครื่องพิมพ์ชิปตระกูล EUV รวมถึงรุ่น High-NA ไปยังประเทศจีนโดยเด็ดขาด เพื่อสกัดกั้นไม่ให้จีนสามารถพัฒนาฐานการผลิตชิปต้นน้ำระดับต่ำกว่า 2 นาโนเมตรที่สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมการทหาร ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ และโมเดลปัญญาประดิษฐ์ขั้นสูงได้ การตัดสินใจเชิงนโยบายนี้ทำให้ประเทศจีนต้องหันไปทุ่มงบประมาณมหาศาลเพื่อวิจัยเทคโนโลยีทางเลือกของตนเอง ซึ่งถือเป็นความท้าทายครั้งประวัติศาสตร์ของวงการไอทีโลก

ในปัจจุบัน กลุ่มบริษัทยักษ์ใหญ่ผู้ผลิตชิปชั้นนำของโลก มีเพียง 3 รายเท่านั้นที่มีเงินทุนหนาพอและระบบนิเวศรองรับในการสั่งซื้อเครื่องพิมพ์ชิป High-NA EUV มูลค่าเครื่องละกว่า 14,000 ล้านบาทนี้ไปใช้งาน โดยบริษัท Intel จากสหรัฐอเมริกาเป็นเสือปืนไวรายแรกของโลกที่ได้รับส่งมอบเครื่องรุ่นเบต้า EXE:5000 เพื่อนำไปติดตั้งในโรงงานรัฐออริกอนสำหรับพัฒนาโหนด Intel 14A ขณะที่บริษัทยักษ์ใหญ่ผู้ครองส่วนแบ่งตลาดชิปรับจ้างผลิตอันดับหนึ่งอย่าง TSMC จากไต้หวัน และ Samsung Electronics จากเกาหลีใต้ ก็ได้ทำการสั่งซื้อและเตรียมเปิดกระบวนการผลิตเชิงพาณิชย์โดยใช้ระบบ High-NA EUV ภายในช่วงปี 2025-2026 นี้เช่นกัน เพื่อรองรับคำสั่งซื้อชิป AI เจเนอเรชันถัดไปจากลูกค้ารายใหญ่อย่าง NVIDIA, Apple และ AMD

บทสรุปของเทคโนโลยี High-NA EUV จึงไม่ใช่เพียงแค่เรื่องของการสร้างเครื่องจักรที่มีราคาแพงที่สุดในประวัติศาสตร์มนุษยชาติ แต่คือการทลายกำแพงข้อจำกัดทางฟิสิกส์เพื่อสืบทอดเจตนารมณ์ของอุตสาหกรรมดิจิทัล นวัตกรรมแสนล้านจากเนเธอร์แลนด์ชิ้นนี้จะทำหน้าที่เป็นรากฐานสำคัญในการสร้างสมองกลอัจฉริยะที่มีพลังการคำนวณสูงกว่าปัจจุบันหลายเท่าตัว ซึ่งจะส่งผลกระทบและพลิกโฉมวิถีชีวิต การทำงาน และโครงสร้างเศรษฐกิจของประชากรโลกทุกคนอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ในทศวรรษหน้า