กุญแจสำคัญเบื้องหลังเศรษฐกิจคาร์บอนต่ำ - อนาคตของอุปกรณ์ Power Semiconductor (สารกึ่งตัวนำกำลัง)
ฮีโร่เบื้องหลังเศรษฐกิจคาร์บอนต่ำ
- อนาคตของอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำกำลัง
• อุปกรณ์สำคัญในการจัดการและควบคุมพลังงานเพื่ออนาคตไร้คาร์บอน
• ใช้ประโยชน์จากจุดแข็งของโตชิบาด้านการผลิตและการทำงานร่วมกัน
• มุ่งสู่อุปกรณ์รุ่นใหม่และการผลิตด้วยแผ่นเวเฟอร์ที่ใหญ่กว่าเดิม
ในปัจจุบัน ทุกประเทศทั่วโลกต่างเดินหน้ามุ่งลดการปล่อยคาร์บอน
(decarbonization) และสร้างความเป็นกลางทางคาร์บอน (carbon
neutrality) ในขณะที่การลดการปล่อยคาร์บอนเป็นแนวโน้มที่กำลังมาแรงทั่วโลกเช่นนี้
สิ่งที่จะเป็นกุญแจสำคัญก็น่าจะเป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ (semiconductor) โดยเฉพาะอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำกำลัง (power
semiconductor) เราได้สัมภาษณ์
นายทาเคชิ คาเมะบุชิ จากบริษัท โตชิบา อิเล็กทรอนิกส์ ดีไวซ์
แอนด์ สโตเรจ คอร์ปอเรชั่น เพื่อเจาะลึกเรื่องราวของวีรบุรุษที่ซ่อนตัวอยู่หลังฉากอย่างอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำกำลัง
รวมถึงบทบาทของอุปกรณ์นี้ในการช่วยให้เราเดินหน้าไปสู่อนาคตคาร์บอนต่ำได้สำเร็จ
พร้อมทั้งขอให้นายคาเมะบุชิ ช่วยอธิบายข้อมูลพื้นฐานและกลยุทธ์ของโตชิบาด้วย
อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำกำลัง: กุญแจสู่เศรษฐกิจคาร์บอนต่ำ
อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำกำลังทำหน้าที่จัดการและควบคุมปริมาณพลังงานไฟฟ้า
อธิบายอย่างง่ายๆ ก็คืออุปกรณ์นี้มีบทบาทเหมือนสวิตช์เปิดปิด แต่เปิดปิดด้วยความเร็วสูงมากจนทำให้สามารถแปลงไฟฟ้ากระแสตรงและกระแสสลับได้
เพิ่มลดแรงดันไฟฟ้าได้ และเปลี่ยนความถี่ไฟฟ้าได้
นายคาเมะบุชิ หัวหน้าธุรกิจอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำของโตชิบาเปรียบเทียบไว้อย่างเห็นภาพว่า
“หากเราเทียบอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำเป็นอวัยวะในร่างกาย หน่วยประมวลผลและหน่วยความจำอาจเทียบได้กับสมอง
แต่อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำกำลังมีบทบาทเทียบได้กับหัวใจและกล้ามเนื้อ”
นายทาเคชิ
คาเมะบุชิ รองประธานแผนกอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ
โตชิบา อิเล็กทรอนิกส์ ดีไวซ์ แอนด์ สโตเรจ คอร์ปอเรชั่น
อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำกำลังสำคัญเทียบเท่ากับหัวใจและกล้ามเนื้อและทำหน้าที่ควบคุมพลังงานในอุปกรณ์ไฟฟ้าทุกชนิด
ตั้งแต่โทรทัศน์ เครื่องซักผ้า เครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้านต่างๆ
ไปจนถึงอุปกรณ์โครงสร้างพื้นฐานสำคัญอย่างยานพาหนะที่วิ่งบนรางและอุปกรณ์ส่งและจ่ายไฟฟ้า
การปรับปรุงให้อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำกำลังทำงานได้มีประสิทธิภาพมากขึ้นจึงเป็นการช่วยลดการสูญเสียพลังงาน
รวมถึงส่งผลให้อุปกรณ์ใช้ไฟฟ้าน้อยลงโดยตรงด้วย
เมื่อพูดถึงเรื่องการสร้างเศรษฐกิจไร้คาร์บอน คนส่วนใหญ่มักมุ่งความสนใจไปที่การลดการปล่อยคาร์บอนในกระบวนการผลิตพลังงานไฟฟ้า โดยเฉพาะการใช้พลังงานหมุนเวียน แต่อันที่จริงแล้วการใช้พลังงานไฟฟ้าให้มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้นก็สำคัญพอกัน อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำกำลังเป็นอุปกรณ์ขนาดเล็กที่สร้างคุณูปการใหญ่หลวงในการลดการใช้คาร์บอนเนื่องจากทำให้ใช้พลังงานได้อย่าง “ชาญฉลาด” ยิ่งขึ้น นี่จึงเป็นสาเหตุที่ทำให้ผู้คนมองว่าอุปกรณ์นี้จะเป็นกุญแจสำคัญที่นำไปสู่อนาคตไร้คาร์บอนและประหยัดพลังงาน
อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำกำลังพบได้ในอุปกรณ์ไฟฟ้าทุกชนิด
ความรับผิดชอบของผู้ผลิตอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ
แม้ประสิทธิภาพของอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำกำลังจะมีบทบาทสำคัญในการสร้างเศรษฐกิจไร้คาร์บอน
แต่แท้จริงแล้วในสมการนี้ยังมีปัจจัยอื่นอีก ซึ่งปัจจัยหนึ่งที่ต้องคำนึงถึงคือกระบวนการผลิต
การผลิตอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำประเภทใดก็ตามล้วนแล้วแต่ต้องใช้ไฟฟ้า น้ำ สารเคมี
และแก๊ซปริมาณมาก ด้วยเหตุนี้ แม้อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำกำลังจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการประหยัดพลังงานให้แก่อุปกรณ์ต่างๆ
ได้มากแค่ไหน แต่หากกระบวนการผลิตยังคงใช้พลังงานปริมาณมหาศาล ก็จะยังสร้างผลกระทบองค์รวมได้น้อยกว่าที่ควรในด้านการลดการใช้พลังงานและต่อโลกของเราอยู่ดี
นายคาเมะบุชิกล่าวไว้อย่างชัดเจนว่า
“การลดภาระด้านสิ่งแวดล้อมจากกระบวนการผลิตเป็นความรับผิดชอบและภารกิจสำคัญที่สุดของบริษัทผู้ผลิตอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ
ในฐานะผู้ส่งมอบผลิตภัณฑ์ประหยัดพลังงานให้แก่ตลาด เราต้องตระหนักถึงผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อมและพยายามควบคุมผลกระทบดังกล่าวอย่างต่อเนื่อง
เราจะช่วยสร้างอนาคตคาร์บอนต่ำให้เกิดขึ้นได้จริงก็ต่อเมื่อทั้งสองสิ่งนี้ดำเนินควบคู่กันไป”
สร้างความมั่นคงให้แก่อนาคตของธุรกิจ
ในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2564 โตชิบาได้ตัดสินใจลงทุนในโรงงานผลิตแผ่นเวเฟอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่าเดิม
เพื่อสร้างความมั่นคงให้แก่อนาคตธุรกิจอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำกำลังของตน
อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำผลิตบนแผ่นซิลิคอนวงกลมที่เรียกกันว่าแผ่นเวเฟอร์
ยิ่งใช้แผ่นเวเฟอร์ขนาดใหญ่ก็จะยิ่งผลิตชิปได้จำนวนมากขึ้นและส่งผลให้การผลิตมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้นตามไปด้วย
อย่างไรก็ตาม ที่ผ่านมาอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำกำลังถือเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีคุณภาพความหลากหลายของสินค้าสูง
แต่ปริมาณการผลิตต่ำ (high-mix low-volume) และผลิตโดยใช้แผ่นเวเฟอร์ขนาด 200 มม. ส่วนแผ่นเวเฟอร์ขนาด 300 มม. ใช้ผลิตอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่ไม่ค่อยหลากหลายและเน้นผลิตครั้งละมากๆ
(low-mix, mass-produced) เช่น หน่วยความจำและหน่วยประมวลผล แต่ขณะนี้เริ่มมีการเปลี่ยนแปลงแล้ว
เห็นได้จากที่ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา ผู้ผลิตที่หันมาผลิตอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำกำลังบนแผ่นเวเฟอร์ขนาด
300 มม. เริ่มมีจำนวนเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว โดยส่วนมากเป็นผู้ผลิตรายใหญ่ในต่างประเทศ
การเปลี่ยนไปใช้แผ่นเวเฟอร์ที่ใหญ่ขึ้นนี้มีเหตุผลสนับสนุนดีๆ
หลายประการ ทั้งนี้เนื่องจากการเริ่มหันมาผลิตรถยนต์ไฟฟ้า การพัฒนาอุปกรณ์อุตสาหกรรมให้มีระบบอัตโนมัติ
การใช้เทคโนโลยีอินเวอร์เตอร์อย่างแพร่หลายในเครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้าน รวมถึงการใช้พลังงานหมุนเวียนที่เพิ่มขึ้น
ล้วนแล้วแต่ส่งผลให้ความต้องการอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำกำลังเพิ่มสูงขึ้น
จนคาดว่าจะมียอดขายเพียงพอให้เริ่มผลิตอุปกรณ์ประเภทนี้บนแผ่นเวเฟอร์ขนาด 300 มม.
นอกจากจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิตแล้ว แผ่นเวเฟอร์ขนาด 300 มม. ยังสามารถช่วยเพิ่มประสิทธิภาพอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำอีกด้วย รวมถึงผู้ผลิตแผ่น เวเฟอร์เองก็ยังเปิดโอกาสให้มีการขยายประสิทธิภาพแผ่นเวเฟอร์ขนาด 300 มม. อีกด้วย ทั้งหมดนี้ทำให้การผลิตอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำบนแผ่นเวเฟอร์ขนาด 300 มม. ยิ่งเป็นทางเลือกที่น่าสนใจขึ้นไปอีก อย่างไรก็ตาม ข้อดีเหล่านี้ย่อมมีต้นทุน นั่นคือต้องลงทุนมหาศาลเพื่อให้สามารถผลิตอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำด้วยแผ่นเวเฟอร์ขนาดใหญ่กว่าเดิมได้ เราได้สอบถามนายคาเมะบุชิ เกี่ยวกับที่มาที่ไปของการตัดสินใจในครั้งนี้
“แน่นอนว่าการลงทุนระยะแรกต้องใช้เงินทุนมหาศาล อย่างไรก็ตาม การก้าวสู่อนาคตคาร์บอนต่ำนั้น ตลาดกำลังขยายตัวอย่างมีนัยสำคัญ การแข่งขันก็เข้มข้นขึ้น ผมมองว่าช่วง 2-3 ปีข้างหน้าจะเป็นจุดเปลี่ยนสำคัญสำหรับธุรกิจอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำกำลัง หากเราต้องการอยู่รอดในธุรกิจนี้ ขณะนี้เป็นเวลาที่เหมาะสมที่สุดที่จะลงทุนในธุรกิจนี้ การก้าวขึ้นเป็นผู้ผลิตอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำญี่ปุ่นรายแรกที่เริ่มสายการผลิตแผ่นเวเฟอร์ขนาด 300 มม. จะช่วยเสริมอาวุธสำคัญให้แก่โตชิบาทั้งในด้านอุปทานและคุณภาพ แน่นอนว่านอกจากการพัฒนาประสิทธิภาพการผลิตนี้แล้ว เราจะยังคงมุ่งปรับปรุงเทคโนโลยีกระบวนการความแม่นยำสูงควบคู่ไปด้วย”
ภาพถ่ายทางอากาศของโรงงานผลิตแผ่นเวเฟอร์ขนาด 300 มม. ที่ คากะ โตชิบา อิเล็กทรอนิกส์ คอร์ปอเรชั่น
จังหวัดอิชิคาวะ ประเทศญี่ปุ่น
มองไปข้างหน้า:
อุปกรณ์รุ่นใหม่
เห็นได้ชัดว่านายคาเมะบุชิ มองไปข้างหน้าไกลกว่าที่ได้กล่าวไว้
นอกจากการผลิตบนแผ่นเวเฟอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้นแล้ว อีกปัจจัยหนึ่งที่จะเข้ามามีบทบาทควบคู่กันก็คือวัสดุชนิดใหม่ที่คาดว่าจะเข้ามาสร้างแรงกระเพื่อมครั้งใหญ่
อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำส่วนใหญ่ทำจากซิลิคอน แต่สารซิลิคอนก็มีข้อจำกัดด้านคุณสมบัติเชิงกายภาพสำหรับการใช้งานบางประเภท
โดยเฉพาะการใช้งานที่ต้องการแรงดันไฟฟ้าสูงและการเปิดปิดที่รวดเร็ว ด้วยเหตุนี้ การจะพัฒนาอุปกรณ์รุ่นถัดไปให้ได้อย่างต่อเนื่องและมีประสิทธิภาพดียิ่งขึ้นจึงต้องอาศัยวัสดุประเภทสารประกอบ
สารประกอบสองชนิดที่กำลังเป็นที่สนใจอย่างยิ่งได้แก่ ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) และแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ซึ่งคาดว่าจะเข้ามาเพิ่มประสิทธิภาพได้อย่างก้าวกระโดดเมื่อเทียบกับอุปกรณ์ซิลิคอนแบบเดิม
สร้างความสมดุลระหว่างความมั่งคั่งและสังคมที่ยั่งยืน
แม้จะเป็นเพียงแผ่นชิปเล็กๆ
ที่ซ่อนตัวอยู่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ แต่อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำกำลังกลับมีคุณูปการด้านการควบคุมไฟฟ้าและพลังงานมหาศาลและมีศักยภาพที่จะช่วยสร้างสรรค์อนาคตคาร์บอนต่ำ
ขณะนี้ นายคาเมะบุชิกำลังเตรียมพร้อมรับมือกับความเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ในสภาพแวดล้อมทางธุรกิจทั้งจากการผลิตโดยใช้แผ่นเวเฟอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้นและการพัฒนาวัสดุใหม่
รวมถึงมองไปยังอนาคตอีกด้วย โดยนายคาเมะบุชิได้กล่าวว่า
“ตราบใดที่ผู้คนยังใช้ไฟฟ้า
อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำกำลังก็จะยังมีความสำคัญ ดังนั้นเราจึงต้องมุ่งปรับปรุงประสิทธิภาพหากต้องการสร้างอนาคตที่มั่งคั่งและสังคมที่ยั่งยืน
อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำกำลังเป็นผลิตภัณฑ์ทางธุรกิจสารกึ่งตัวนำของโตชิบาให้ความสนใจมากที่สุด
เราจะทำทุกวิถีทางเพื่อเร่งเพิ่มขีดความสามารถในการผลิตและพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ๆ
เพื่อช่วยสร้างอนาคตไร้คาร์บอนให้เกิดขึ้นจริง”
