เจาะลึกอาณาจักร TSMC โรงงานชิปแสนล้านผู้คุมลมหายใจเทคโนโลยีและ AI โลก

จุดเริ่มต้นจากวิสัยทัศน์ Morris Chang ชายผู้เปลี่ยนโลกเซมิคอนดักเตอร์

หากจะย้อนมองถึงรากฐานของอุตสาหกรรมเทคโนโลยีในปัจจุบัน คงปฏิเสธไม่ได้ว่าชายที่ชื่อ มอร์ริส ชาง (Morris Chang) คือผู้วางรากฐานที่ไม่มีใครล้มล้างได้ ในปี พ.ศ. 2530 (ค.ศ. 1987) มอร์ริส ชาง ได้ก่อตั้งบริษัท Taiwan Semiconductor Manufacturing Company หรือ TSMC ขึ้น ณ สวนวิทยาศาสตร์ซินจู๋ ประเทศไต้หวัน โดยได้รับการสนับสนุนด้านเงินทุนส่วนใหญ่จากรัฐบาลไต้หวันและบริษัทฟิลิปส์ ในยุคที่บริษัทไอทียักษ์ใหญ่อย่าง Intel หรือ AMD ยังคงยึดมั่นในแนวคิด "Integrated Device Manufacturer" (IDM) หรือการออกแบบและสร้างโรงงานผลิตชิปของตนเอง มอร์ริส ชาง กลับมองเห็นช่องว่างขนาดมหึมาที่ไม่มีใครเคยนึกถึง

ในเวลานั้น การสร้างโรงงานผลิตชิป (Fabrication Plant หรือสั้นๆ ว่า Fab) ต้องใช้เงินลงทุนมหาศาลระดับหลายพันล้านดอลลาร์สหรัฐ ทำให้บริษัทสตาร์ทอัพหรือนักออกแบบชิปรายย่อยไม่มีโอกาสเข้าถึงนวัตกรรมขั้นสูง มอร์ริส ชาง จึงเสนอโมเดลธุรกิจรูปแบบใหม่ที่ไม่เคยมีมาก่อนในโลก นั่นคือการเป็นโรงงานรับจ้างผลิตชิปเพียงอย่างเดียว โดยไม่เข้าไปแข่งขันในด้านการออกแบบตราสินค้าของตนเองเลยแม้แต่น้อย

โมเดลธุรกิจ Pure-play Foundry ปฏิวัติวงการแบบไม่แย่งลูกค้า

หัวใจสำคัญที่ทำให้ TSMC ก้าวขึ้นสู่จุดสูงสุดคือวิสัยทัศน์ที่เรียกว่า "Pure-play Foundry" สโลแกนที่ไม่เป็นทางการแต่หนักแน่นของบริษัทคือ "เราจะไม่แข่งขันกับลูกค้าของเรา" ข้อตกลงนี้สร้างความเชื่อมั่นอย่างมหาศาลให้กับบริษัทยักษ์ใหญ่ทั่วโลก เพราะพวกเขารู้ดีว่าความลับทางการค้า แปลนพิมพ์เขียว และสถาปัตยกรรมชิปขั้นสุดยอดที่ส่งมาให้ TSMC ผลิต จะไม่มีวันรั่วไหลหรือถูกนำไปดัดแปลงทำเป็นสินค้าคู่แข่งเด็ดขาด

การเกิดขึ้นของโมเดลนี้ทำให้เกิดการแยกส่วนอุตสาหกรรมครั้งใหญ่ ก่อให้เกิดกลุ่มบริษัทที่เรียกว่า "Fabless" หรือบริษัทที่เชี่ยวชาญด้านการออกแบบชิปเพียงอย่างเดียว เช่น Nvidia, AMD, Qualcomm, MediaTek และ Apple โดยบริษัทเหล่านี้สามารถทุ่มเททรัพยากรทั้งหมดไปกับการวิจัย พัฒนา และออกแบบซอฟต์แวร์-ฮาร์ดแวร์ แล้วส่งต่อหน้าที่การผลิตที่ซับซ้อนและละเอียดอ่อนที่สุดให้เป็นหน้าที่ของ TSMC ปัจจุบัน ความสัมพันธ์ในรูปแบบนี้ได้กลายเป็นฟันเฟืองหลักที่ขับเคลื่อนสมาร์ทโฟน คอมพิวเตอร์ ระบบคลาวด์ และยานยนต์อัจฉริยะทั่วโลก

บทความอื่นที่น่าสนใจจาก PPTV HD 36

• โซนี่สร้างโรงงานเซมิคอนดักเตอร์ในไทย ป้อนอุตสาหกรรมรถยนต์ไฟฟ้าโลก

• จับตาสมรภูมิ AI แรงหนุนสำคัญในการปฏิวัติทางเทคโนโลยี

• สงครามการค้า สหรัฐ-จีน ผลกระทบสะเทือนโลก

• อุตฯยานยนต์ไฟฟ้าในไทย แนวโน้มดีแต่สะดุดปัญหาระยะสั้น

ทำไมโลกขาด TSMC ไม่ได้? ผูกขาดชิปขั้นสูงกว่า 90% ของตลาด

เพื่อให้อธิบายเห็นภาพชัดเจนที่สุด หากโรงงานของ TSMC ต้องหยุดชะงักลงแม้เพียงหนึ่งสัปดาห์ จะสร้างผลกระทบรุนแรงต่อห่วงโซ่อุปทานเทคโนโลยีโลก รายงานจากสถาบันวิจัยการตลาดระดับโลกอย่าง TrendForce และรายงานสถิติของทาง การกระทรวงเศรษฐกิจไต้หวัน ระบุตรงกันว่า TSMC ครองส่วนแบ่งการตลาดในธุรกิจรับจ้างผลิตชิป สูงมากกว่า 60% ของตลาดโลกทั้งหมด

ทว่า ตัวเลขที่น่ากลัวและแสดงถึงอำนาจผูกขาดที่แท้จริงคือสัดส่วนในกลุ่ม "ชิปขั้นสูง" ซึ่งหมายถึงชิปที่มีสถาปัตยกรรมขนาดเล็กกว่า 7 นาโนเมตรลงไปจนถึง 3 นาโนเมตร ซึ่งใช้ในสมาร์ทโฟนระดับเรือธง ศูนย์ข้อมูล และหน่วยประมวลผลกราฟิกสำหรับ AI ในเซกเมนต์นี้ TSMC ครองส่วนแบ่งการตลาดเบ็ดเสร็จสูงเกินกว่า 90% ทิ้งห่างคู่แข่งรายสำคัญอย่าง Samsung Foundry จากเกาหลีใต้ และ Intel Foundry จากสหรัฐอเมริกาอย่างไม่เห็นฝุ่น

ข้อเท็จจริงเชิงสถิติ: ชิปประมวลผลหลักใน iPhone ทุกเครื่อง, ชิปสถาปัตยกรรมระบบคลาวด์ของ AWS, ชิปขับเคลื่อนระบบขับขี่อัตโนมัติของ Tesla ยันชิปสถาปัตยกรรม AI ตระกูล Hopper (H100) และ Blackwell (B200) ของ Nvidia ทั้งหมดนี้ถูกผลิตขึ้นจากเตาหลอมเทคโนโลยีของ TSMC ทั้งสิ้น

เบื้องหลังสถิติตัวเลขรายได้และมาร์เก็ตแชร์ระดับโลก

เมื่อพิจารณาผลประกอบการทางการเงินจากรายงานประจำปีอย่างเป็นทางการของบริษัท พบว่า TSMC มีรายได้ทะลุหลักหลายหมื่นล้านดอลลาร์สหรัฐต่อปี โดยมีอัตรากำไรขั้นต้นสูงเกินกว่า 50-53% ซึ่งถือเป็นตัวเลขที่สูงมากสำหรับอุตสาหกรรมโรงงานภาคการผลิต เหตุผลที่ TSMC สามารถรักษาความมั่งคั่งและอัตรากำไรนี้ไว้ได้ เกิดจากการประหยัดต่อขนาด และความสามารถในการเรียกราคาพรีเมียมจากลูกค้า เนื่องจากไม่มีคู่แข่งรายใดในโลกที่สามารถผลิตชิปที่มีอัตราการผ่านเกณฑ์คุณภาพสูงเท่านี้มาก่อน

ความล้มเหลวของคู่แข่งในการไล่ตามเทคโนโลยีของ TSMC สะท้อนผ่านกรณีศึกษาของ Intel ที่ประสบปัญหาความล่าช้าในการพัฒนาโหนดการผลิตของตนเอง จนท้ายที่สุดสถาบันการเงินและนักวิเคราะห์ต่างระบุว่า แม้แต่ Intel เองก็ยังต้องตัดสินใจจ้าง TSMC ผลิตชิปในส่วนประกอบสำคัญสำหรับโปรเซสเซอร์ยุคใหม่บางรุ่น เพื่อรักษาขีดความสามารถในการแข่งขันในตลาดพีซีไว้

เทคโนโลยีระดับนาโนเมตร และนวัตกรรม EUV ลิโธกราฟี

กระบวนการสร้างชิปเซมิคอนดักเตอร์เปรียบเสมือนการจารึกบทกวีลงบนเส้นผมมนุษย์ แต่อยู่ในสเกลที่เล็กกว่าหลายหมื่นเท่า คำว่า "นาโนเมตร" (nm) ในอดีตอาจหมายถึงขนาดของเกตเทรนซิสเตอร์ แต่ในปัจจุบันมันทำหน้าที่เป็นชื่อเรียกของโหนดเทคโนโลยีที่สะท้อนถึงความหนาแน่นและความประหยัดพลังงานที่เพิ่มขึ้น ยิ่งตัวเลขนาโนเมตรน้อยลงเท่าใด วิศวกรก็สามารถอัดทรานซิสเตอร์ลงไปบนพื้นที่ซิลิคอนขนาดเท่าปลายนิ้วสัมผัสได้มากขึ้นเท่านั้น เพิ่มความเร็วในการประมวลผลสูงขึ้น ในขณะที่ใช้พลังงานลดลง

เบื้องหลังความสำเร็จในการเปลี่ยนผ่านสู่ยุคสถาปัตยกรรมจิ๋วนี้ คือเครื่องจักรที่เรียกว่า EUV (Extreme Ultraviolet Lithography) หรือเครื่องรับแสงอัลตราไวโอเลตจัด ซึ่งผลิตโดยบริษัท ASML จากประเทศเนเธอร์แลนด์ เครื่องจักรนี้มีราคาเครื่องละมากกว่า 150-350 ล้านดอลลาร์สหรัฐ และเป็นเทคโนโลยีเดียวในโลกที่สามารถใช้แสงที่มีความยาวคลื่นสั้นมาก (13.5 นาโนเมตร) ในการฉายลวดลายวงจรที่ซับซ้อนระดับอะตอมลงบนแผ่นซิลิคอนเวเฟอร์ได้ และ TSMC คือบริษัทที่มีฝูงบินเครื่องจักร EUV ครอบครองไว้มากที่สุดในโลก เป็นการสร้างกำแพงเทคโนโลยีที่ยากจะมีใครกระโดดข้าม

จาก 3 นาโนเมตร สู่ความท้าทายในระดับ 2 นาโนเมตร และต่ำกว่า

ปัจจุบัน สายการผลิตเชิงพาณิชย์หลักที่มีประสิทธิภาพสูงสุดของ TSMC อยู่ที่ระดับ 3 นาโนเมตร (N3) ซึ่งถูกนำไปใช้ในชิปประมวลผล A17 Pro และตระกูล M3, M4 ของ Apple เรียบร้อยแล้ว แต่ความทะเยอทะยานของอาณาจักรแห่งนี้ยังไม่หยุดยั้ง แผนการพัฒนาตามโรดแมปอย่างเป็นทางการระบุว่า TSMC กำลังเดินหน้าทดสอบสายการผลิตระดับ 2 นาโนเมตร (N2) อย่างเต็มกำลัง ณ โรงงานแห่งใหม่ในซินจู๋และเกาสง

ในโหนดระดับ 2 นาโนเมตรนี้ TSMC จะเปลี่ยนผ่านโครงสร้างทรานซิสเตอร์จากสถาปัตยกรรมแบบ FinFET ที่ใช้มานานนับทศวรรษ ไปสู่เทคโนโลยีใหม่ที่เรียกว่า GAAFET (Gate-all-around FET) หรือที่ TSMC เรียกว่า แพลตฟอร์ม nanosheet ซึ่งจะช่วยควบคุมการรั่วไหลของกระแสไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด ข้อมูลวิจัยภายในบ่งชี้ว่าเทคโนโลยี N2 จะช่วยเพิ่มความเร็วในการประมวลผลขึ้นอีก 10-15% ที่ระดับพลังงานเท่าเดิม หรือลดการใช้พลังงานลง 25-30% ที่ระดับความเร็วเท่าเดิม

สมรภูมิภูมิรัฐศาสตร์ เกราะป้องกันซิลิคอนของไต้หวัน

ด้วยความสำคัญในระดับคุมชะตาเทคโนโลยีโลก ที่ตั้งทางภูมิศาสตร์ของ TSMC บนเกาะไต้หวันจึงกลายเป็นจุดยุทธศาสตร์ที่ตึงเครียดที่สุดในโลกเช่นกัน นักวิชาการด้านความมั่นคงและนโยบายระหว่างประเทศมักใช้คำเรียกขานปรากฏการณ์นี้ว่า "เกราะป้องกันซิลิคอน" แนวคิดนี้อธิบายว่า ตราบใดที่ทั้งสหรัฐอเมริกา จีน ยุโรป และประเทศมหาอำนาจอื่นๆ ยังคงต้องพึ่งพาชิปขั้นสูงจาก TSMC เพื่อขับเคลื่อนเศรษฐกิจ กองทัพ และระบบโครงสร้างพื้นฐาน ทุกฝ่ายจะร่วมมือกันรักษาสันติภาพภาพรวมและสถานะเดิม ของไต้หวันไว้ เพราะหากเกิดสงครามหรือการปิดล้อมทางทะเลจนทำให้ TSMC ต้องหยุดการผลิต เศรษฐกิจโลกจะดิ่งลงเหวรุนแรงยิ่งกว่าวิกฤตการณ์ทางการเงินครั้งใดในประวัติศาสตร์

อย่างไรก็ตาม ความเสี่ยงนี้ทำให้รัฐบาลสหรัฐฯ ภายใต้กฎหมาย CHIPS and Science Act พยายามผลักดันและกดดันให้ TSMC ต้องกระจายความเสี่ยงด้านห่วงโซ่อุปทาน ด้วยการหอบเม็ดเงินและเทคโนโลยีออกไปสร้างฐานการผลิตนอกเกาะไต้หวัน

แรงกดดันจากสหรัฐฯ และจีน การขยายโรงงานไปต่างแดน

ภายใต้แผนยุทธศาสตร์กระจายความเสี่ยงระดับโลก ปัจจุบัน TSMC ได้ประกาศและดำเนินโครงการก่อสร้างโรงงานระดับยักษ์ใหญ่ในหลายพื้นที่สำคัญ

• ฟีนิกซ์, รัฐแอริโซนา สหรัฐอเมริกา (Fab 21) แผนการลงทุนมูลค่ารวมกว่า 65,000 ล้านดอลลาร์สหรัฐ เพื่อสร้างโรงงานผลิตชิปขั้นสูงจำนวน 3 แห่ง โดยตั้งเป้าผลิตชิปตั้งแต่ระดับ 4 นาโนเมตร ไปจนถึงเทคโนโลยี 2 นาโนเมตรภายในสิ้นทศวรรษนี้ แม้ในช่วงแรกจะประสบปัญหาด้านวัฒนธรรมองค์กร การขาดแคลนแรงงานฝีมือ และสหภาพแรงงานท้องถิ่น แต่โครงการนี้ถือเป็นหมุดหมายสำคัญในความมั่นคงของรัฐบาลวอชิงตัน

• คุมาโมโตะ, ประเทศญี่ปุ่น (JASM) โครงการร่วมทุนที่ประสบความสำเร็จอย่างงดงามและรวดเร็วอย่างยิ่ง โรงงานแห่งแรกเปิดดำเนินการอย่างเป็นทางการแล้ว โดยเน้นผลิตชิปสำหรับกลุ่มยานยนต์และเซนเซอร์กล้องถ่ายภาพ (ความร่วมมือกับ Sony และ Denso) และกำลังเดินหน้าก่อสร้างโรงงานแห่งที่สองเพื่อรองรับเทคโนโลยีที่ทันสมัยยิ่งขึ้น

• เดรสเดน, ประเทศเยอรมนี (ESMC) การรุกคืบเข้าสู่ทวีปยุโรปเพื่อตอบสนองความต้องการชิปในอุตสาหกรรมยานยนต์หรูหราและเครื่องจักรกลหนักของเยอรมนี เพื่อลดการพึ่งพิงการนำเข้าจากเอเชียในระยะยาว

ทว่า แหล่งข่าววงในระดับสูงและวิศวกรของ TSMC ต่างยืนยันเป็นเสียงเดียวกันว่า "สมองและหัวใจ" เทคโนโลยีที่ก้าวล้ำที่สุด รวมถึงการวิจัยพัฒนาขั้นแรกเริ่ม จะยังคงถูกเก็บรักษาไว้อยู่บนเกาะไต้หวันอย่างเหนียวแน่น โรงงานในต่างแดนเป็นเพียงตัวช่วยกระจายปริมาณงานและการเมืองระหว่างประเทศเท่านั้น

อภิมหาดีลและลูกค้าระดับบิ๊ก ความสัมพันธ์อันแน่นแฟ้นกับ Apple, Nvidia และ AMD

ความสัมพันธ์ระหว่าง TSMC และลูกค้าระดับโลกไม่ใช่แค่เรื่องของการซื้อมาขายไป แต่เป็นการร่วมหัวจมท้ายทางเทคโนโลยี พันธมิตรที่โดดเด่นที่สุดคือ Apple Inc. ซึ่งถือเป็นลูกค้ารายใหญ่ที่สุดที่สร้างรายได้ให้ TSMC ราว 20-25% ในแต่ละปี ความสัมพันธ์นี้เริ่มต้นจากการที่ Apple ต้องการสลัดตัวออกจากห่วงโซ่อุปทานของคู่แข่งอย่าง Samsung ในยุค iPhone 6 และนับตั้งแต่นั้นมา Apple ได้กลายเป็นท่อน้ำเลี้ยงหลัก คอยออกเงินทุนอุดหนุนล่วงหน้าเพื่อให้ TSMC นำไปจองกำลังการผลิตและพัฒนาโหนดใหม่ๆ ก่อนใคร เพื่อนร่วมค่ายรายอื่นจึงมักจะได้ใช้เทคโนโลยีโหนดล่าสุดตามหลัง Apple เสมอประมาณ 6-12 เดือน

อีกหนึ่งลูกค้าระดับปรากฏการณ์ในยุคนี้คือ Nvidia ภายใต้การนำของ เจนเซน หวง (Jensen Huang) ความต้องการชิปสถาปัตยกรรมสำหรับประมวลผลโมเดลภาษาขนาดใหญ่ และปัญญาประดิษฐ์เชิงสร้างสรรค์ ทำให้ชิปของ Nvidia กลายเป็นสินค้าขาดแคลนและมีค่าดั่งทองคำ ซึ่งชิปเหล่านั้น ไม่ว่าจะเป็นสถาปัตยกรรมขนาดยักษ์ตัวไหน ล้วนคลอดออกมาจากโรงงานผลิตที่ทันสมัยที่สุดของ TSMC ทั้งสิ้น ความร่วมมืออันเหนียวแน่นนี้ทำให้ทั้งสองบริษัทก้าวขึ้นสู่กลุ่มบริษัทที่มีมูลค่ากิจการสูงที่สุดในประวัติศาสตร์มนุษยชาติ

อนาคตของ TSMC ในยุคปัญญาประดิษฐ์สะเทือนโลก

เมื่อมองไปข้างหน้า ความท้าทายและโอกาสที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของ TSMC อยู่ที่กระแสความคลั่งไคล้ในระบบปัญญาประดิษฐ์ ชิปประมวลผล AI ยุคใหม่ไม่ได้ต้องการเพียงแค่ทรานซิสเตอร์ที่เล็กลงในแผ่นชิปเดี่ยวๆ เท่านั้น แต่ต้องการสถาปัตยกรรมแบบ Advanced Packaging หรือการแพ็กเกจชิปขั้นสูงเพื่อเชื่อมต่อชิปประมวลผลและหน่วยความจำแบนด์วิดท์สูง เข้าด้วยกันในแนวตั้งและแนวนอน

เทคโนโลยีที่เป็นไม้เด็ดของ TSMC ในขณะนี้คือ CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) ซึ่งปัจจุบันกำลังการผลิต CoWoS กำลังเป็นคอขวดที่ใหญ่ที่สุดของอุตสาหกรรม AI โลก เนื่องจากความต้องการของตลาดมีมากกว่ากำลังการผลิตจริงหลายเท่า ตัวเลขคาดการณ์จากรายงานของสำนักข่าวเศรษฐกิจชั้นนำระบุว่า TSMC ต้องเร่งขยายกำลังการผลิตเทคโนโลยีการแพ็กเกจจิ้งนี้เพิ่มขึ้นมากกว่าเท่าตัวปีต่อปีเพื่อตอบสนองคำสั่งซื้อที่ล้นทะลัก

ด้วยความสามารถในการควบคุมทั้งสถาปัตยกรรมการผลิตระดับนาโนเมตรระดับแนวหน้า และเทคโนโลยีการประกอบชิปขั้นสูงที่ไม่มีใครลอกเลียนแบบได้ในระยะเวลาอันสั้น อาณาจักร TSMC จึงยังคงทำหน้าที่เป็นผู้กำหนดทิศทางลมหายใจ อัตราเร็ว และอนาคตของนวัตกรรมทุกอย่างบนโลกใบนี้อย่างแท้จริง ยากที่ใครจะสั่นคลอนได้ในทศวรรษนี้