เซมิคอนดักเตอร์: ความเป็นไปได้ใหม่ๆ ของอุปกรณ์แยกชิ้นในยุค IOT

ลองมองดูรอบตัวคุณสิ คุณเห็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดกี่ชิ้น การที่เราเห็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แทบจะทุกที่เช่นนี้แปลว่าเรามีอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ หรือ เซมิคอนดักเตอร์ (semiconductor) รายล้อมรอบตัวอยู่ตลอดเวลา ว่าแต่ว่า เซมิคอนดักเตอร์คืออะไร และใช้ทำอะไรได้กันแน่ เพราะแม้หลายคนจะเคยได้ยินชื่ออุปกรณ์นี้ แต่มีน้อยคนนักที่จะอธิบายได้ว่าแท้จริงแล้วอุปกรณ์นี้คืออะไร

โตชิบาผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ชนิดแยกชิ้นด้วยกันทั้งสิ้นสามประเภท ได้แก่ อุปกรณ์กำลัง อุปกรณ์สัญญาณขนาดเล็ก และอุปกรณ์ออปโต แต่อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์คืออะไรกันแน่ และเหตุใดชิ้นส่วนเหล่านี้จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อชีวิตประจำวันของเรา เราลองไปทำความรู้จักอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ โดยเฉพาะอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ชนิดแยกชิ้น ให้ดีขึ้นกันดีกว่า

โดยทั่วไปแล้วเราแบ่งสสารออกได้เป็นสองประเภท ได้แก่ สสารที่มีคุณสมบัตินำไฟฟ้าได้ และสสารที่ไม่สามารถนำไฟฟ้าได้ เราเรียกสสารที่นำไฟฟ้าได้ว่า สารตัวนำ หรือ คอนดักเตอร์ (conductor) และเรียกสสารที่ไม่นำไฟฟ้าว่า ฉนวน (insulator)     อย่างไรก็ตาม สสารบางชนิดที่มีคุณสมบัติอยู่กึ่งกลางระหว่างสสารทั้งสองตัวข้างต้น คือมีความสามารถนำไฟฟ้าได้ในบางสภาวะ สสารกลุ่มนี้จึงมีชื่อเรียกว่า สารกึ่งตัวนำ หรือ เซมิคอนดักเตอร์ (semiconductor)

หากกล่าวในเชิงเทคนิคแล้ว อันที่จริง “เซมิคอนดักเตอร์” เป็นคำที่ใช้เรียกตัวสสาร เช่น ซิลิคอน เป็นต้น แต่อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบันนี้ คำคำนี้ถูกนำมาใช้เรียกชิ้นส่วนหรือวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่อาศัยคุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำเหล่านี้ด้วย เช่น หน่วยคำนวณและตรรกะสำหรับวงจรแอลเอสไอ*1 อุปกรณ์หน่วยความจำ และอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำชนิดแยกชิ้นที่ทำหน้าที่ประเภทเดียว

               

 *1 แอลเอสไอ (LSI) เป็นตัวย่อของคำว่า large-scale integration หมายถึง วงจรรวมขนาดใหญ่ วงจรประเภทนี้มีระดับการรวมวงจรสูงกว่าวงจรรวมขึ้นไปอีก

อุปกรณ์ชนิดแยกชิ้น: ขุมพลังลับของเทคโนโลยียุคใหม่

อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำแบ่งประเภทได้ตามระดับการรวมวงจร เนื่องจากชิ้นส่วนชนิดแยกชิ้นทำหน้าที่เพียงประเภทเดียว จึงอยู่ในประเภทที่มีระดับการรวมวงจรต่ำที่สุด ตัวอย่างอุปกรณ์ประเภทที่เห็นได้ทั่วไปก็อย่างเช่น ทรานซิสเตอร์ (transistor) ซึ่งทำหน้าที่ควบคุมกระแสไฟฟ้า และ ไดโอด (diode) ซึ่งควบคุมให้กระแสไฟฟ้าไหลในทิศทางเดียว เป็นต้น

“อุปกรณ์ชนิดแยกชิ้นอยู่ในสิ่งต่าง ๆ รอบตัวเรา หันมองไปทางไหนก็เจอ ไม่ว่าจะเป็นในโทรศัพท์สมาร์ทโฟน คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล หรือเครื่องปรับอากาศ ก็อาจมีชิ้นส่วนประเภทนี้อยู่หลายสิบชิ้น ยังไม่รวมถึงรถยนต์ ซึ่งอาจมีชิ้นส่วนประเภทนี้อยู่นับร้อยชิ้น” มร. อะคิฮิโระ คะวะโนะ แผนกอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำชนิดแยกชิ้น บริษัท โตชิบา อิเล็กทรอนิกส์ ดีไวซ์ แอนด์ สโตเรจ คอร์ปอเรชั่น กล่าว

            

                 มร. อะคิฮิโระ คะวะโนะ แผนกอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำชนิดแยกชิ้น บริษัท โตชิบา อิเล็กทรอนิกส์ ดีไวซ์ แอนด์ สโตเรจ คอร์ปอเรชั่น

“ยกตัวอย่างเช่น หัวแปลงไฟฟ้ากระแสสลับ (AC adapter) ที่ใช้กับคอมพิวเตอร์ในปัจจุบันมีขนาดเล็กลงกว่าเมื่อ 10-20 ปีก่อนมาก ที่เป็นเช่นนี้ก็เพราะหัวแปลงไฟและอุปกรณ์แยกชิ้นที่อยู่ภายในมีขนาดเล็กและน้ำหนักเบาขึ้นมาก ซึ่งเนื่องมาจากอุปกรณ์ชนิดแยกชิ้นพัฒนาก้าวหน้าขึ้น นี่คือตัวอย่างที่น่าจะใกล้ตัวทุกคน”

นอกจากอุปกรณ์ชนิดแยกชิ้นที่ทำหน้าที่ได้เพียงประเภทเดียวแล้ว ยังมีแผงวงจรไอซี*2 และแอลเอสไอด้วย แผงวงจรเหล่านี้เป็นอุปกรณ์ที่ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์และชิ้นส่วนอื่น ๆ รวมอยู่ในชิ้นเดียว แต่ถึงแม้อุปกรณ์เหล่านี้จะทวีความซับซ้อนขึ้น ก็ยังต้องอาศัยอุปกรณ์ชนิดแยกชิ้นเป็นส่วนประกอบภายในอยู่ดี

*2 ไอซี (IC) เป็นตัวย่อของคำว่า integrated circuit หมายถึง วงจรรวม

แต่ทั้ง ๆ ที่อุปกรณ์ชนิดแยกชิ้นมีความสำคัญต่อเทคโนโลยีสมัยใหม่อย่างยิ่งยวด แล้วเหตุใดผู้คนส่วนใหญ่จึงไม่รู้จักอุปกรณ์เหล่านี้

“เนื่องจากมนุษย์เราต้องการเพิ่มความเร็วการประมวลสัญญาณ อุปกรณ์แทบทุกอย่างจึงถูกแปลงให้เป็นระบบดิจิทัลกันมากขึ้น ทำให้แผงวงจรรวมมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อย ๆ พัฒนาการต่าง ๆ ในวงการแผงวงจรรวมได้ส่งผลให้รับส่งข้อมูลและจอแสดงภาพความละเอียดสูงในโทรศัพท์สมาร์ทโฟนพัฒนารุดหน้าไปยิ่งขึ้น ทั้งนี้ แผงวงจรรวมที่ใช้ในอุปกรณ์ดิจิทัลและแผงวงจรหน่วยความจำก็ได้รับความสนใจมากขึ้นด้วยเช่นกัน”

อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่เล็กกว่าเมล็ดข้าว?

 

อุปกรณ์ชนิดแยกชิ้นมีด้วยกันหลายประเภท ทางโตชิบาผลิตอยู่ด้วยกันสามประเภท ได้แก่ อุปกรณ์กำลัง อุปกรณ์สัญญาณขนาดเล็ก และอุปกรณ์ออปโต

หากพูดอย่างง่าย ๆ แล้ว อุปกรณ์กำลังก็คือพวกสวิตช์ต่าง ๆ นั่นเอง ซึ่งหลัก ๆ แล้วใช้เพื่อทำหน้าที่สลับระหว่างไฟฟ้ากระแสตรงและกระแสสลับ เพิ่มหรือลดแรงดันไฟฟ้า และควบคุมพลังงานให้มีประสิทธิภาพ อุปกรณ์เหล่านี้ถูกใช้เพื่อควบคุมกำลังไฟและอุณหภูมิในอุปกรณ์แทบทุกอย่างตั้งแต่เครื่องใช้ภายในบ้านไปจนถึงโรงไฟฟ้า อุปกรณ์แทบทุกชนิดที่ใช้กำลังไฟฟ้าตั้งแต่หนึ่งวัตต์ขึ้นไป โตชิบาจะจัดว่าเป็นอุปกรณ์กำลังทั้งหมด

ในทางตรงกันข้าม อุปกรณ์ใดที่ใช้กำลังไฟต่ำกว่าหนึ่งวัตต์จะเรียกว่า อุปกรณ์สัญญาณขนาดเล็ก อุปกรณ์ประเภทนี้มีขนาดเล็กที่สุดเพียงแค่ 0.4 มม. x 0.2 มม. x 0.1 มม. เท่านั้น หรือเล็กกว่าเมล็ดข้าวเสียด้วยซ้ำ และพบได้ในเครื่องใช้ทุกชนิดตั้งแต่โทรศัพท์สมาร์ทโฟนไปจนถึงรถยนต์

สงสัยไหมว่าอุปกรณ์มีขนาดเล็กที่สุดได้แค่ไหน ลองดูปลายไส้ดินสอกดดูสิ

ส่วนอุปกรณ์ออปโตมีชื่อเรียกอีกชื่อว่า อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำเชิงแสง ซึ่งโตชิบาเป็นบริษัทที่มีส่วนแบ่งการตลาดโฟโตคัปเปลอร์ใหญ่ที่สุดในโลก*3 อุปกรณ์นี้เป็นอุปกรณ์ออปโตที่ส่งสัญญาณโดยใช้แสงวาบ ทำหน้าที่ส่งสัญญาณระหว่างระบบความดันไฟสูงและความดันไฟต่ำเพื่อแยกไฟฟ้าของระบบทั้งสองออกจากกัน

*3 ที่มา: บริษัท โตชิบา อิเล็กทรอนิกส์ ดีไวซ์ แอนด์ สโตเรจ คอร์ปอเรชั่น ข้อมูลเดือนมีนาคม พ.ศ. 2561

 ในบรรดาอุปกรณ์ชนิดแยกชิ้นทั้งสามประเภทนี้ โตชิบาให้ความสนใจกับอุปกรณ์กำลังเป็นพิเศษและมุ่งเน้นพัฒนาให้อุปกรณ์กำลังมีขนาดเล็กลงเพื่อเพิ่มขีดความสามารถ

“ระบบภายในอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำทำให้เกิดความต้านทาน ส่งผลให้กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านอุปกรณ์ส่วนหนึ่งสูญเสียไปเนื่องจากถูกเปลี่ยนเป็นความร้อน พูดอีกอย่างก็คือ ยิ่งมีความต้านทานสูงเท่าไหร่ อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำนั้นก็ยิ่งมีประสิทธิภาพต่ำลง ดังนั้น เราจึงต้องพยายามลดความต้านทานด้วยการเพิ่มประสิทธิผลผ่านการลดขนาดของเซมิคอนดักเตอร์”

อนาคตของอุปกรณ์ชนิดแยกชิ้น

ตลาดอุปกรณ์ชนิดแยกชิ้นจะพัฒนาไปในทิศทางใดในอนาคต

มร. คะวะโนะ กล่าวว่าเราน่าจะได้เห็นความต้องการอุปกรณ์ชนิดแยกชิ้นเติบโตขึ้นเร็วที่สุดในแวดวงศูนย์ข้อมูล เนื่องจากศูนย์ข้อมูลจำเป็นต้องทำงานอย่างต่อเนื่อง  24 ชั่วโมงต่อวัน 365 วันต่อปี จึงต้องใช้พลังงานปริมาณมหาศาลเพื่อให้อุปกรณ์ทำงานได้ เนื่องจากประสิทธิภาพการใช้ไฟฟ้าเป็นปัญหาสำคัญในการทำงานของศูนย์เหล่านี้ นี่จึงเป็นจุดที่อุปกรณ์กำลังจะมีส่วนเข้าไปเพิ่มประสิทธิภาพการใช้ไฟฟ้าได้

“ความเร็วในการรับส่งข้อมูลของสมาร์ทโฟนเพิ่มขึ้นอย่างมาก อีกทั้งในอนาคตอันใกล้ก็จะมีการเปลี่ยนจากระบบ 4G ไปสู่ระบบ 5G ความเร็วในการรับส่งข้อมูลที่เพิ่มขึ้นจะส่งผลให้ข้อมูลที่มีการรับส่งมีปริมาณเพิ่มมากขึ้น ทำให้จำเป็นจะต้องมีศูนย์ข้อมูลเพิ่มขึ้น ด้วยเหตุนี้ เราจึงคาดว่าจะมีความต้องการอุปกรณ์ชนิดแยกชิ้นเพิ่มสูงขึ้น เพราะจะช่วยประหยัดได้ทั้งพลังงานและพื้นที่”

               

อีกตลาดที่อาจกลายเป็นตลาดสำคัญสำหรับอุปกรณ์ชนิดแยกชิ้นก็คือ เครื่องใช้ภายในบ้าน และอุปกรณ์ดิจิทัล ที่เราใช้กันอยู่ในทุกวันนี้ รวมไปถึงรถยนต์ไฟฟ้า ซึ่งเชื่อกันว่าจะเริ่มใช้งานกันอย่างแพร่หลายมากขึ้นเรื่อย ๆ ทั้งนี้ ยานพาหนะรางต่าง ๆ ในปัจจุบัน เช่น รถไฟโดยสาร และรถไฟความเร็วสูงชินกังเซ็น ก็มีอุปกรณ์ชนิดแยกชิ้นเป็นส่วนประกอบอยู่ในระบบแล้วจำนวนมาก

ไม่ว่าเราอยู่ที่บ้านหรือที่ทำงาน ก็ล้วนมีอุปกรณ์ชนิดแยกชิ้นต่าง ๆ อยู่รอบตัว แต่ละชิ้นทำหน้าที่ของตนอย่างเงียบ ๆ เพื่อให้ทุกสิ่งดำเนินไปได้อย่างราบรื่น ยิ่งเรากำลังก้าวเข้าสู่ยุคอินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง (IoT) แล้ว บทบาทของอุปกรณ์เหล่านี้จึงยิ่งเป็นสิ่งที่เราต้องจับตาดูมากขึ้นเป็นพิเศษ