เหตุใดการผลิตเซมิคอนดักเตอร์จึงเป็นเรื่องยากและมีเพียงไม่กี่บริษัทที่ผลิตได้

คุณคงทราบดีว่าชิปเซมิคอนดักเตอร์ถูกใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แทบทุกชนิดที่เราซื้อ พวกเขาเข้าไปในคอมพิวเตอร์ สมาร์ทโฟน แกดเจ็ต รถยนต์ เครื่องบิน อุปกรณ์ทางการแพทย์ ระบบทหาร และอีกมากมาย โลกกำลังเผชิญกับปัญหาการขาดแคลนชิปเซมิคอนดักเตอร์ทั่วโลกในปัจจุบัน ซึ่งทำให้เกิดคำถามว่าเหตุใดบริษัทต่างๆ จึงไม่สามารถเข้าสู่การผลิตชิปเซมิคอนดักเตอร์ได้มากขึ้น มาเจาะลึกในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ผ่านบทความนี้กัน เพื่อจะได้รู้ว่าอะไรคือความซับซ้อนที่ไม่อนุญาตให้บริษัทจำนวนมากเข้าสู่อุตสาหกรรม

ทำไมชิปเซมิคอนดักเตอร์ถึงเป็นข่าว?

ในปี 2564 ข่าวการขาดแคลนชิปทั่วโลกเกิดขึ้นมากมาย และบริษัทต่างๆ เช่น Apple, Tesla, Tata Motors และ Samsung Electronics ต้องอดอาหารเพื่อชิปเซมิคอนดักเตอร์ อุตสาหกรรมทั้งหมด 169 แห่งได้รับผลกระทบจากการขาดแคลน อุตสาหกรรมยานยนต์ได้รับผลกระทบมากที่สุด

มีหลายปัจจัยที่นำไปสู่การขาดแคลนทั่วโลก บางส่วนของพวกเขาคือ:

• ความต้องการอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เพิ่มขึ้นสำหรับการทำงานจากที่บ้านในช่วงการระบาดใหญ่
• ขาดแคลนแรงงานเนื่องด้วยข้อจำกัดล็อกดาวน์
• ภัยแล้งที่ไต้หวัน
• สงครามการค้าระหว่างสหรัฐฯ และจีน

การจัดเก็บชิปเซมิคอนดักเตอร์ทำให้ประเทศต่างๆ ตระหนักว่าการผลิตชิปนั้นกระจุกตัวในประเทศแถบเอเชียตะวันออกเพียงไม่กี่ประเทศเท่านั้น ดังนั้น ในปีนี้ประเทศต่างๆ ทั่วโลกจึงกำลังวางแผนที่จะสร้างกำลังการผลิตสำหรับชิปเซมิคอนดักเตอร์เหล่านี้ เพื่อที่จะสามารถพึ่งพาตนเองได้และลดการพึ่งพาการนำเข้า อินเดียจะใช้เงินประมาณ 30 พันล้านดอลลาร์เพื่อพัฒนาระบบนิเวศของห่วงโซ่อุปทานเซมิคอนดักเตอร์ สหรัฐฯ กำลังพิจารณาที่จะบังคับใช้กฎหมาย CHIPS for America เพื่อมอบเงิน 52 พันล้านดอลลาร์สำหรับการผลิตชิปและการสนับสนุนจากรัฐบาลสำหรับยักษ์ใหญ่ด้านเซมิคอนดักเตอร์ พระราชบัญญัตินี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อให้ความช่วยเหลือทางการเงินสำหรับการก่อสร้าง การขยาย หรือการปรับปรุงโรงงานแปรรูปเซมิคอนดักเตอร์ในสหรัฐอเมริกาให้ทันสมัย

อุตสาหกรรมชิปเซมิคอนดักเตอร์ - ประวัติศาสตร์และปัจจุบัน

ในปี 1958 Jack Kilby วิศวกรอิเล็กทรอนิกส์ที่ Texas Instruments ได้สร้างวงจรรวมชุดแรกซึ่งเป็นบรรพบุรุษของไมโครชิปยุคใหม่ เป็นสิ่งประดิษฐ์ที่ยิ่งใหญ่และปฏิวัติวงการของศตวรรษที่ 20 อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์เริ่มต้นขึ้นราวปี 1960 และรายได้จากการขายแตะ 1 พันล้านดอลลาร์ในปี 1966 ในปี 2022 อุตสาหกรรมชิปเซมิคอนดักเตอร์ทั่วโลกคาดว่าจะสูงถึง 600 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ แต่มีบริษัทเพียงไม่กี่แห่งในโลกที่สามารถผลิตชิปเซมิคอนดักเตอร์ได้ และบริษัทเพียงไม่กี่แห่งก็สามารถทำกำไรได้ในขณะนั้น มาทำความเข้าใจกันว่าเหตุใดจึงเป็นเช่นนั้นด้วยการเจาะลึกอุตสาหกรรมชิปเซมิคอนดักเตอร์และกระบวนการผลิต

โมเดลและผู้เล่นหลักของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ถูกครอบงำโดยบริษัทจากไต้หวัน สหรัฐอเมริกา เกาหลีใต้ จีน ญี่ปุ่น และเนเธอร์แลนด์ ซึ่งการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ได้รับการสนับสนุนจากรัฐบาล โครงสร้างพื้นฐานที่พัฒนาแล้ว และการประหยัดจากขนาด

อุตสาหกรรมนี้มีพื้นฐานมาจากแบบจำลองที่การประดิษฐ์ การออกแบบ และการพัฒนามีการกระจายไปยังบริษัทต่างๆ และบริษัทในเครือทั่วโลก บริษัทโรงหล่อ เช่น TSMC และ GlobalFoundries เกี่ยวข้องกับการผลิตเท่านั้น บริษัทเซมิคอนดักเตอร์ที่ไร้ที่ติ เช่น AMD, Nvidia จ้างผลิตภายนอกให้กับโรงงานแปรรูปบุคคลที่สาม และออกแบบเฉพาะอุปกรณ์เท่านั้น ผู้ผลิตอุปกรณ์รวม (IDM) เช่น Intel และ Samsung ผลิต (ภายในบริษัท) ออกแบบและจำหน่ายผลิตภัณฑ์วงจรรวม

ผู้เล่นหลักในอุตสาหกรรม ได้แก่ TSMC (Foundry), Samsung Electronics (IDM), Intel (IDM) และ Qualcomm (Fabless)

ตารางแสดงบริษัทเซมิคอนดักเตอร์ 8 อันดับแรก ประเภทและประเทศ

TSMC ของไต้หวันเพียงแห่งเดียวผลิตเปอร์เซ็นต์ที่ดี กล่าวคือ มากกว่า 50% ของเซมิคอนดักเตอร์ในโลก เป็นโรงหล่อที่ใหญ่ที่สุดในโลก Apple ซึ่งเป็นผู้บริโภคชิปรายใหญ่ที่สุดและบริษัทเซมิคอนดักเตอร์รายใหญ่สองแห่งคือ Nvidia และ Qualcomm เป็นลูกค้าของ TSMC เท่านั้น Samsung ซึ่งเป็นบริษัทคู่แข่งของ TSMC ได้ประกาศลงทุน 355 พันล้านดอลลาร์เพื่อผลิตชิป 3nm เพื่อเอาชนะ TSMC

ขั้นตอนการผลิตชิปเซมิคอนดักเตอร์

ชิปเซมิคอนดักเตอร์ทำโดยใช้เซมิคอนดักเตอร์ซิลิกอน กระบวนการทำชิปเซมิคอนดักเตอร์เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์มากกว่า 59 ชนิดและขั้นตอนที่แตกต่างกันซึ่งจำเป็นต้องทำซ้ำเพื่อสร้างเลเยอร์ในชิป ชิปสามารถประกอบด้วยได้มากถึง 100 ชั้นซึ่งหมายความว่าขั้นตอนจะต้องทำซ้ำในจำนวนเดียวกัน

แผ่นเวเฟอร์ของซิลิกอนที่สกัดจากทรายจะถูกแปลงเป็นทรานซิสเตอร์ที่สร้างฐานของกลุ่มวงจรที่เรียกว่าชิป ขั้นตอนต่อไปนี้สรุปกระบวนการสร้างเลเยอร์ในชิปเซมิคอนดักเตอร์

• ขั้นตอนแรกคือการเคลือบเวเฟอร์ด้วยสารเคมีที่ไวต่อแสงและวัสดุที่ทนต่อแสง
• จากนั้นจะมีการพิมพ์หินในขั้นตอนที่สองโดยที่แผ่นเวเฟอร์ซิลิกอนเคลือบสัมผัสกับแสงยูวีภายในเครื่องพิมพ์หิน แสงจะถูกส่งผ่านหน้ากากที่มีพิมพ์เขียวของชิปบนเวเฟอร์เพื่อพิมพ์ลวดลาย กระบวนการนี้ทำให้สามารถสร้างชิปได้หลายร้อยชิ้นบนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนตัวเดียว
• จากนั้นพื้นที่ที่สัมผัสกับแสงจะแข็งตัว และพื้นที่ที่อ่อนนุ่มที่ไม่ได้รับแสงจะถูกกัดเซาะโดยก๊าซร้อน
• ขั้นตอนต่อไปเกี่ยวข้องกับการใช้ก๊าซไอออนิกเพื่อปรับเปลี่ยนคุณสมบัติการนำไฟฟ้าของชั้นที่สร้างขึ้นโดยการเพิ่มสิ่งเจือปน จากนั้นในที่สุดการเชื่อมโยงโลหะจะถูกวางลงระหว่างทรานซิสเตอร์จึงสร้างชั้นที่สมบูรณ์ขึ้นหนึ่งชั้น

ขั้นตอนเหล่านี้จะต้องทำซ้ำเพื่อสร้างเลเยอร์ที่ตามมา

ทำไมเราไม่สามารถผลิตชิปให้มากขึ้นเพื่อตอบสนองความต้องการที่เพิ่มสูงขึ้นได้?

หากมีปัญหาการขาดแคลนชิป เหตุใดจึงไม่บริษัทจำนวนมากขึ้นเข้าสู่การผลิตชิปเซมิคอนดักเตอร์ และลดช่องว่างระหว่างอุปสงค์และอุปทาน หากต้องการทราบคำตอบสำหรับคำถามนี้ เราต้องเข้าใจความซับซ้อนของการผลิตชิปและอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ก่อน

อะไรทำให้การผลิตชิปเซมิคอนดักเตอร์มีความซับซ้อนมาก

แม้ว่าชิปจะเล็กในแง่ของขนาด แต่ก็เกี่ยวข้องกับกระบวนการที่ซับซ้อนและมีราคาแพงที่สุด นี่คือรายการปัจจัยที่ทำให้บริษัทใดๆ เข้าสู่อุตสาหกรรมนี้ได้ยาก-

• ต้องใช้ที่ดิน ใบอนุญาต โครงสร้างพื้นฐานทางธรรมชาติ ไฟฟ้า เครื่องจักรที่ซับซ้อน และต้องใช้เวลานานกว่า 2 ปีในการจัดตั้งโรงงานผลิตและโรงงานแปรรูปที่มีราคาแพงมากซึ่งสร้างชิปเหล่านี้ ในปี 2564 ซัมซุงได้ประกาศแผนการที่จะเปิดโรงงานชิปมูลค่า 17 พันล้านดอลลาร์ในเท็กซัสในปี 2567
• การผลิตชิปยังเป็นขั้นตอนที่ซับซ้อนซึ่งใช้เวลานานมาก ใช้เวลาเกือบ 3 เดือนในการเปลี่ยนซิลิกอนดิบให้เป็นชิปสุดท้ายที่ใส่ลงในอุปกรณ์
• กระบวนการผลิตเป็นระดับอะตอมและต้องใช้อุปกรณ์โรงงานที่มีราคาแพง
• นอกจากนี้ ห้องที่ใส่ซิลิกอนลงในเครื่องทำชิปจะต้องปราศจากฝุ่นโดยเด็ดขาด ฝุ่นเพียงจุดเดียวอาจทำให้เสียความพยายามและเงินหลายล้านเหรียญ
• การผลิตชิปเซมิคอนดักเตอร์เกี่ยวข้องกับเครือข่ายที่ซับซ้อนของบริษัทที่ผลิตหรือออกแบบ ควบคู่ไปกับบริษัทที่จัดหาเทคโนโลยี วัสดุ และเครื่องจักรที่จำเป็น

สงครามรัสเซีย - ยูเครนส่งผลกระทบต่ออุตสาหกรรมมากขึ้นอย่างไร?

นีออนเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับเลเซอร์ที่ใช้ในการพิมพ์หินเพื่อผลิตชิป ปีที่แล้วการบริโภคนีออนทั่วโลกสำหรับการผลิตชิปอยู่ที่ประมาณ 540 เมตริกตัน สงครามรัสเซีย - ยูเครนทำให้ปัญหาการขาดแคลนชิปทั่วโลกแย่ลงเพราะนีออนมากกว่าครึ่งหนึ่งของโลกผลิตโดย บริษัท ยูเครนสองแห่งเท่านั้น - อิกนัสและครายอินที่ต้องปิดกิจการ ดังนั้นสิ่งนี้จะมีผลกระทบอย่างมากต่ออุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ นอกจากนี้ อุปทานแพลเลเดียมของรัสเซียอาจได้รับผลกระทบเนื่องจากสงคราม การขาดแคลนแพลเลเดียมซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับเครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยาที่ใช้กับระบบไอเสียของรถยนต์ อาจส่งผลกระทบทางอ้อมต่ออุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ด้วยความต้องการชิปที่น้อยลงโดยผู้ผลิตรถยนต์

บทสรุป

โรงหล่อเซมิคอนดักเตอร์ต้องการเงินลงทุนจำนวนมหาศาลหลายพันล้านดอลลาร์และต้องใช้เวลาพอสมควรในการจัดตั้ง นอกจากนี้ โรงหล่อเหล่านี้ไม่สามารถผลิตชิปได้อย่างรวดเร็ว เนื่องจากกระบวนการผลิตยังต้องใช้เวลาและต้องใช้อุปกรณ์ราคาแพง ทั้งหมดนี้ทำให้ยากสำหรับบริษัทใด ๆ ที่จะเข้าสู่อุตสาหกรรม และแม้ว่าบริษัทใดจะทำเช่นนั้น มันก็กลายเป็นเรื่องยากสำหรับพวกเขาที่จะแข่งขันกับปลาใหญ่และทำกำไร นั่นเป็นเหตุผลที่ผู้ผลิตชิปเซมิคอนดักเตอร์ได้ยินเพียงไม่กี่ชื่อที่ได้รับส่วนแบ่งการตลาดมหาศาลในอุตสาหกรรมเมื่อเวลาผ่านไป

คำถามที่พบบ่อย

ชิปเซมิคอนดักเตอร์ทำมาจากอะไร?

เซมิคอนดักเตอร์เรียกอีกอย่างว่าวงจรรวม (ICs) หรือไมโครชิปที่ทำจากซิลิกอนบริสุทธิ์

ใครคือผู้ผลิตชิปเซมิคอนดักเตอร์รายใหญ่ที่สุด?

TSMC ของไต้หวันเป็นผู้ผลิตชิปเซมิคอนดักเตอร์รายใหญ่ที่สุด

5 บริษัท เซมิคอนดักเตอร์ที่ดีที่สุดในการลงทุนมีอะไรบ้าง?

Taiwan Semiconductor Manufacturing Co Ltd (TSMC), Intel Corp (INTC), Nvidia (NVDA), Advanced Micro Devices Inc (AMD), Micron (MU)