นี่อาจเป็นเครื่องจักรที่สำคัญที่สุดในโลกขณะนี้ ทั้งในแง่เทคโนโลยี เศรษฐกิจ และภูมิรัฐศาสตร์ หากปราศจากมัน เศรษฐกิจโลกก็อาจจะชะลอตัว และความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีจะสะดุดลง

เครื่องจักรนี้มีราคาเครื่องละ 200 ล้านดอลลาร์สหรัฐ และจากจำนวนทั้งหมดประมาณ 200 เครื่องที่มีอยู่ในโลกปัจจุบัน มีเพียงไม่กี่เครื่องเท่านั้นที่ตั้งอยู่บนดินแดนสหรัฐอเมริกา

ยิ่งไปกว่านั้น รัฐบาลสหรัฐฯ หลายสมัยต่างต้องเร่งดำเนินการเพื่อให้แน่ใจว่าจะไม่มีเครื่องจักรเหล่านี้ถูกขายเข้าไปในจีน ทั้งๆ ที่เทคโนโลยีส่วนใหญ่ในช่วงแรกเริ่มนั้นมีต้นกำเนิดมาจากสหรัฐอเมริกา

นี่คือเรื่องราวที่ฟิสิกส์มาบรรจบกับธุรกิจ และส่งผลกระทบอย่างมหาศาลต่อเศรษฐกิจโลก แล้วสหรัฐอเมริกาพลาดโอกาสในการครอบครองเทคโนโลยีที่สำคัญยิ่งนี้ไปได้อย่างไร?

เครื่องจักรนี้มีชื่อเรียกว่า เครื่อง EUV (Extreme Ultraviolet Lithography) ซึ่งใช้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่ก้าวหน้าที่สุดในโลก เทคโนโลยี EUV เป็นเหตุผลเดียวที่ทำให้เรามี iPhone ที่ทำงานได้เร็วอย่างที่เป็นอยู่ และเป็นเหตุผลที่ทำให้เกิดการปฏิวัติด้าน AI พร้อมแชทบอทและ ChatGPT

เครื่องจักรนี้ได้เปลี่ยนบริษัทผู้ผลิตเพียงรายเดียวอย่าง ASML ซึ่งเป็นบริษัทสัญชาติเนเธอร์แลนด์ ให้กลายเป็นบริษัทเทคโนโลยีที่ใหญ่ที่สุดในยุโรป

ลิโธกราฟีคือกระบวนการสลักลายวงจรลงบนชิป ซึ่งเป็นขั้นตอนที่สำคัญมากในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ขนาดของเครื่อง EUV นั้นใหญ่โตมโหฬารเกินจินตนาการ แต่ละเครื่องมีขนาดเท่ากับรถบัสคันหนึ่ง แต่ถูกออกแบบมาเพื่อสลักลวดลายลงบนชิปที่มีขนาดเล็กระดับนาโนเมตร

วิธีการทำงานของเครื่อง EUV นั้นเป็นความสำเร็จอันน่าทึ่งทางวิศวกรรม เลเซอร์กำลังสูงจะถูกยิงไปยังเป้าหมายที่เป็นหยดดีบุกขนาดจิ๋วประมาณ 50,000 ครั้งต่อวินาที ซึ่งจะสร้างพลาสมาที่ปล่อยแสงอัลตราไวโอเลตที่มีความยาวคลื่น 13.5 นาโนเมตร

แสงชนิดนี้ไม่เกิดขึ้นตามธรรมชาติบนโลก และถูกดูดซับโดยวัสดุส่วนใหญ่รวมถึงอากาศ ดังนั้นกระบวนการทั้งหมดจึงต้องดำเนินการในสุญญากาศ

กระจกชุดหนึ่งจะสะท้อนและโฟกัสแสง EUV กระจกแต่ละบานถูกเคลือบด้วยชั้นของเบริลเลียมและซิลิคอน และขัดจนเรียบในระดับที่น้อยกว่าความหนาของอะตอมหนึ่งตัว ซึ่งมีความสำคัญมากเพราะรอยตำหนิใดๆ จะลดคุณภาพของชิปที่เครื่องกำลังผลิต

ในช่วงกลางของกระบวนการนี้ แสง EUV จะสะท้อนผ่านเรติเคิล (reticle) ที่บรรจุลวดลายของวงจรที่จะถูกสลักลงบนชิป จากนั้นลวดลายเหล่านี้จะถูกสะท้อนและโฟกัสให้เล็กลงไปอีกก่อนที่จะไปกระทบแผ่นซิลิคอน แผ่นซิลิคอนแต่ละแผ่นจะถูกสลักด้วยลวดลายนับพันล้านแบบ

ปัญหาคือกระบวนการนี้ยากมาก อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์มักแข่งขันกันเพื่อทำให้ชิ้นส่วนมีขนาดเล็กลงเสมอ และความสามารถในการทำเช่นนั้นช่วยให้เศรษฐกิจโลกเติบโตอย่างต่อเนื่อง ปัจจุบันชั้นวัสดุบางชั้นที่ใช้ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์มีความหนาเพียงหนึ่งอะตอมเท่านั้น ซึ่งบางกว่านี้ไม่ได้อีกแล้ว

ในที่สุดอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ก็เผชิญกับปัญหาที่กำลังจะถึงขีดจำกัดทางฟิสิกส์ ในช่วงทศวรรษ 1980 นักวิทยาศาสตร์เริ่มคิดว่าแสง EUV อาจเป็นวิธีที่ดีที่สุดในการเข้าถึงระดับอะตอม

รัฐบาลสหรัฐฯ ผ่านทางห้องปฏิบัติการแห่งชาติ (National Labs) มักให้ความช่วยเหลือแก่อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์เสมอ โดยสนับสนุนความก้าวหน้าพื้นฐานบางอย่างเหล่านี้ กระทรวงพลังงานได้ทุ่มเงินหลายสิบล้านดอลลาร์ในการวิจัยเกี่ยวกับ EUV ที่ห้องปฏิบัติการสามแห่งทั่วสหรัฐฯ

เพื่อก้าวกระโดดจากการวิจัยสู่ความเป็นจริง จึงมีการรวมพันธมิตรกับบริษัทต่างๆ รวมถึง Intel, AMD และ Motorola และในปี 1999 บริษัทลิโธกราฟีของเนเธอร์แลนด์ที่ไม่ค่อยมีใครรู้จักชื่อ ASML ได้เข้ามาร่วมวงด้วย

ในช่วงทศวรรษ 1990 ญี่ปุ่นเป็นภัยคุกคามที่สำคัญต่อความเป็นผู้นำในอุตสาหกรรมชิปของสหรัฐฯ รัฐบาลสหรัฐฯ จึงทุ่มเทสนับสนุน ASML แทนที่จะเป็นบริษัทญี่ปุ่นซึ่งกำลังเป็นผู้นำในด้านโฟโตลิโธกราฟีในขณะนั้น

ASML ทุ่มเทอย่างเต็มที่ พวกเขาคาดว่าเทคโนโลยีนี้จะพร้อมใช้งานในเชิงพาณิชย์ภายในปี 2006 เทคโนโลยี EUV เป็นเหมือนภารกิจส่งยานอวกาศไปดวงจันทร์ มีค่าใช้จ่ายสูงมากและซับซ้อนอย่างเหลือเชื่อ

ภายในปี 2012 มีความคืบหน้าเกิดขึ้น แต่ยังต้องการการพัฒนาเพิ่มเติม เทคโนโลยี EUV อาจเป็นไปได้จริง แต่ ASML ยังต้องการการลงทุนอีกมาก พวกเขาจึงหันไปหากลุ่มลูกค้าของพวกเขาเอง ทั้ง TSMC, Samsung และ Intel ตัดสินใจว่าเรื่องนี้สำคัญมาก จึงทุ่มเงินหลายพันล้านดอลลาร์เพื่อให้แน่ใจว่ามันจะเกิดขึ้นจริง โดย Intel เป็นผู้ลงทุนรายใหญ่ที่สุด

การที่เทคโนโลยี EUV เป็นจริงได้อย่างที่เรารู้จักในปัจจุบันนั้น เป็นเพราะความดื้อรั้นของ ASML ที่ใช้เวลาหลายปีและเงินทุนหลายพันล้านในการผลิตมัน

ในที่สุด ในปี 2017 ASML ก็เริ่มจัดส่งเครื่องจักรได้สำเร็จ แต่ถึงแม้จะมีการลงทุนหลายพันล้านดอลลาร์จากบริษัทอเมริกันอย่าง Intel และรัฐบาลสหรัฐฯ เครื่องจักรรุ่นแรกทั้งหมดกลับถูกส่งไปยัง TSMC และ Samsung ทั้งนี้ไม่ใช่เพราะ ASML ไม่ต้องการขายเครื่องจักรให้กับ Intel

Intel คิดว่า EUV มีความสำคัญมาก แต่เช่นเดียวกับคู่แข่ง พวกเขาเห็นปัญหาของมัน ซึ่งนั่นเป็นการตัดสินใจของพวกเขา และเป็นการตัดสินใจที่ทำให้พวกเขาต้องสูญเสียอย่างมหาศาล

โดยพื้นฐานแล้ว Brian Krzanich ซีอีโอในขณะนั้นคิดว่า Intel ไม่สามารถทำให้เครื่อง EUV ทำกำไรได้ และคิดว่าคงจะเป็นเรื่องที่ดีกว่าถ้า Intel ไม่ต้องใช้มัน

ก่อนหน้าการเกิดขึ้นของเครื่อง EUV ต้องบอกว่า Intel เป็นบริษัทที่ใหญ่ที่สุดในอุตสาหกรรมและครองตลาดมาหลายทศวรรษ ในขณะที่บรรดาคู่แข่งต่างพยายามไล่ตาม Intel ให้ทัน

ทุก ๆ บริษัทต่างลดขนาดชิปลงอย่างต่อเนื่อง โดย Intel นำหน้าในการลดขนาดมาโดยตลอดจนกระทั่งปี 2018 เมื่อ TSMC แซงหน้า Intel เป็นครั้งแรก เพราะเหตุผลง่าย ๆ เลยก็คือ TSMC กำลังผลิตชิปด้วยเครื่อง EUV ในขณะที่ Intel ไม่ได้ใช้มัน

ไม่นานหลังจากนั้น สมาร์ทโฟน Galaxy Note 10 ของ Samsung ก็เปิดตัวสู่ตลาด ซึ่งเป็นอุปกรณ์สำหรับผู้บริโภครายแรกที่มีชิปที่ผลิตด้วยกระบวนการ EUV หลังจากนั้น Apple ก็ตามมาติดๆ แต่แล้วก็เกิดปัญหาขึ้น Huawei ซึ่งเคยเป็นผู้ผลิตสมาร์ทโฟนรายใหญ่ที่สุดในโลกในช่วงหนึ่ง กำลังซื้อชิปจาก TSMC

มันกลายเป็นประเด็นที่น่าสนใจที่ผู้ผลิตอุปกรณ์จากจีนกำลังผลิตสมาร์ทโฟนที่ล้ำสมัยที่สุด และนั่นเองที่เป็นเหตุผลให้รัฐบาลอเมริกันต้องหันมาจับตามอง เพราะพวกเขามองว่า Huawei เป็นบริษัทที่อันตรายมาก เมื่อพิจารณาจากสิ่งที่พวกเขาทำในแง่ของความมั่นคงและด้านการทหาร

หนึ่งในความเป็นจริงที่น่าขันของ EUV คือเทคโนโลยีพื้นฐานส่วนใหญ่มีต้นกำเนิดในสหรัฐอเมริกา แต่ผู้ได้รับประโยชน์ทั้งทางตรงและทางอ้อมจากเทคโนโลยีนี้กลับไม่ได้อยู่ในสหรัฐฯ เป็นส่วนใหญ่

บริษัทในจีนแผ่นดินใหญ่ที่ซื้อชิปจากบริษัทในไต้หวัน โดยใช้อุปกรณ์ที่ผลิตในเนเธอร์แลนด์ ฟันเฟืองสำคัญในอุตสาหกรรมนี้ถูกผลิตโดยบริษัทในประเทศอื่นที่สหรัฐอเมริกาไม่สามารถควบคุมได้โดยตรง

ดังนั้น วอชิงตันจึงต้องใช้ความพยายามอย่างมากในการโน้มน้าวชาวดัตช์ไม่ให้อนุญาตให้ ASML ส่งออก EUV ไปยังจีน ซึ่งเรื่องที่ ASML ไม่ได้จัดส่งไปยังจีนนั้นยังค่อนข้างคลุมเครือ

ในปี 2012 Intel มีขนาดใหญ่กว่า Nvidia 15 เท่า และใหญ่กว่า TSMC เกือบสองเท่า นั่นคือช่วงเวลาที่พวกเขาเริ่มลงทุนใน ASML แต่ความล้มเหลวของ Intel ในการเคลื่อนไหวเกี่ยวกับ EUV ทำให้คู่แข่งหลายรายแซงหน้าไป การเติบโตของ Intel ชะงักงัน ในขณะที่ TSMC และโดยเฉพาะ Nvidia เติบโตอย่างก้าวกระโดด

“ทีมผู้นำของ Intel ภายใต้การนำของ Krzanich ได้มอบดาบให้กับเหล่าศัตรูคู่แข่งของพวกเขา และนั่นส่งผลกระทบอย่างต่อเนื่องภายใน Intel” Krzanich ลาออก ผู้นำถูกเปลี่ยนตัว และเกิดการเร่งรีบเพื่อนำบริษัทกลับมาสู่เส้นทางรุ่งโรจน์เหมือนในอดีตอีกครั้ง

หนึ่งในข้อสรุปที่ทีมผู้นำชุดใหม่ได้คือ “เราต้องการ EUV เรามีความร่วมมือที่แข็งแกร่งกับ ASML และแผนของเราที่จะอยู่แนวหน้าของการใช้ EUV กำลังดำเนินไปอย่างเต็มที่”

นั่นคือ Pat Gelsinger ซีอีโอคนปัจจุบันของ Intel เขากำลังทุ่มเทกำลังทั้งหมดของบริษัทไปกับเทคโนโลยีถัดไป สิ่งใหม่ล่าสุดในโลกของ EUV ที่เรียกว่า High Numerical Aperture หรือ High-NA EUV เพื่อให้เข้าใจว่ามันสำคัญแค่ไหน Intel ได้ป่าวประกาศให้ทุกคนที่สนใจฟังว่าพวกเขามีเครื่อง High-NA เครื่องแรก

ต้องบอกว่าเครื่อง High-NA EUV มีหลายอย่างเดิมพันอยู่: ความเป็นผู้นำของสหรัฐฯ ในด้านเซมิคอนดักเตอร์ และความสำเร็จของร่างกฎหมาย CHIPS (CHIPS and Science Act) ของประธานาธิบดี Joe Biden ซึ่งได้จัดสรรเงินอุดหนุนจำนวน 280 พันล้านดอลลาร์สำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ ที่ Biden ได้ประกาศก้องไว้ว่า “เราจะทำให้การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูงกลับมารุ่งเรืองอีกครั้งที่นี่ในอเมริกา หลังจากผ่านไป 40 ปี”

ในที่สุดเหล่านักการเมืองก็ตื่นตัวว่าเซมิคอนดักเตอร์มีความสำคัญอย่างแท้จริงเพียงใด และแผนทั้งหมดของ Intel ในการพลิกฟื้นบริษัทนั้นอยู่บนพื้นฐานของแนวคิดที่ว่าพวกเขาสามารถได้รับเงินทุนจากรัฐบาลเพื่อสร้างโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์และกลับมาเป็นผู้นำในเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ให้ได้อีกครั้ง

References :
https://www.intel.com/content/www/us/en/newsroom/resources/intel-high-na-euv.html
https://youtu.be/NFLjeyd2M0k?si=UCyrJljFMd10AJ22
https://siliconangle.com/2024/04/18/intel-completes-assembly-worlds-advanced-euv-lithography-system/
https://www.thelec.net/news/articleView.html?idxno=4825