Table of Content
เมื่อฮาร์ดแวร์กำลังจะเป็นเรื่องที่เข้าถึงได้ง่ายลงเหมือนกับซอร์ฟแวร์ (ตอนที่ 2)
Table of Content
ในปัจจุบัน ถือว่าวงการ hobbyist สายประดิษฐ์ได้พัฒนาขึ้นกว่าเดิมอย่างมาก
ซอร์ฟแวร์ต่าง ๆ เริ่มออกมาเป็นแบบ free หรือ open source มากขึ้น ไม่ว่าจะเป็นโปรแกรมออกแบบ PCB (เช่น KiCAD) โปรแกรมออกแบบสามมิติ (เช่น fusion 360) หรือแม้แต่การ fabrication ต่าง ๆ ก็ถูกลงกว่าแต่ก่อนมาก เช่น การทำ PCB ตอนนี้ก็สามารถสั่งทำได้เอง โดยจะสั่งแค่หนึ่งหน่วยก็มีผู้รับทำ หรือการขึ้นรูปสามมิติเองก็สามารถใช้เครื่องพิมพ์สามมิติที่มีขนาดและราคาถูกลงจนสามารถจับต้องได้ในเชิงการทำงานอดิเรก
ถ้าเป็นประเทศอเมริกา ตอนนี้เริ่มมีบริษัทรับทำ metal sheet หรือจ้างทำ laser cutting เพื่องานอดิเรกให้เห็นบ้างแล้ว แต่สำหรับไทย เคยเห็นว่ามีบริษัทรับทำ laser cut ให้กับเหล่า hobbyist อยู่ แต่ยังมีอยู่น้อยมาก
สำหรับงานสาย hardware เชิงอิเล็กทรอนิกส์ ที่ลึกระดับ microelectronics นั้น ยังอาจจะเป็นเรื่องยากสำหรับบุคคลทั่วไปที่สนใจ
การออกแบบฮาร์ดแวร์ไม่ได้เหมือนกับการลงโปรแกรมลงใน Arduino มากนัก ระดับความยากของการออกแบบฮาร์ดแวร์ที่อาจแตะได้สำหรับคนที่สนใจที่เป็นไปได้มากที่สุดน่าจะเป็นการซื้ออุปกรณ์แบบ discrete มา (เช่น ตัวต้านทานแยก ตัวเก็บประจุแยก IC ต่าง ๆ อย่างง่าย เช่นชุด 74HC หรือ LM324, LM555 รวมถึง microprocessor ได้สำเร็จรูป เป็นต้น) แล้วลองออกแบบให้เป็นคอมพิวเตอร์ขนาดเล็ก (เช่นในช่อง YouTube ของ BenEater)
หรืออาจจะลองซื้อบอร์ด FPGA แล้วออกแบบฮาร์ดแวร์ในนั้นก็จะง่ายลงตรงที่ไม่ต้องมานั่ง wiring เองให้ปวดหัว เพียงแค่ออกแบบวงจรเชิงพฤติกรรมด้วยภาษา HDL ก็สามารถออกแบบวงจรได้แล้ว
แต่ถ้าเป็นการออกแบบชิปโดยตรง เช่นการออกแบบ VLSI/ASIC ความเป็นไปได้ที่บุคคลธรรมดา หรือแม้แต่อาจารย์ในมหาวิทยาลัยเองจะทำเองได้ก็ตาม ยากกว่าเดิมเป็นหลายเท่า
เรื่องแรกของความยากคือเรื่องราคา การที่จะสั่งผลิตชิปออกมาสักแบบหนึ่งจำเป็นต้องใช้เทคโนโลยีขั้นสูง อย่างที่ใช้กันในปัจจุบันคือ photolithography ซึ่งเครื่องมือราคาแพงอย่างมาก แพงขนาดที่ว่าการสั่งผลิตชิปในครั้งหนึ่งจำเป็นต้องสั่งในจำนวนที่มาก ๆ ๆ จึงจะคุ้มค่ากับการลงทุนสั่งทำ
เรื่องที่สองที่ยากพอ ๆ กับราคา คือการออกแบบ การที่จะออกแบบ VLSI หรือ ASIC ออกมาจำเป็นต้องใช้ซอร์ฟแวร์ที่ไม่ฟรี ซึ่งก็มีต้นทุนที่ต้องเสียไปอีก นี่เองที่ยังทำให้เรายังไม่ค่อยเห็นผู้เล่นเชิงปัจเจก (แม้แต่ในเชิง academia ก็ตาม) ในงานออกแบบชิปมากเท่าไหร่นัก ส่วนใหญ่ก็จะเป็นบริษัทที่ออกแบบและสั่งทำมากกว่า
พูดง่าย ๆ ก็คือ ขั้นตอนแรกของการออกแบบชิปไม่ใช่การหาวัตถุประสงค์ของชิปนั้น แต่คือการสำรวจตลาดก่อนนั่นเอง
(PCB น่าจะยังพอเห็นภาพได้ง่าย แต่ถ้าต้องเปรียบเทียบ FPGA กับ VLSI/ASIC ให้คนทั่วไปเห็นแบบง่าย ๆ น่าจะต้องอธิบายว่า FPGA เปรียบเสมือนเมืองที่มีถนนและสิ่งก่อสร้างพร้อมหมดแล้ว เพียงแค่เราต้องเลือกเปิดปิดเส้นทางตามที่ต้องการเพื่อให้ได้วงจรตามวัตถุประสงค์ ซึ่งมีภาษาที่ใช้ออกแบบได้เลย (เรียกว่าภาษา HDL) แต่ถ้าเป็น VLSI/ASIC จะเหมือนกับการที่ต้องลงออกแบบผังเมืองเองโดยที่ไม่มีแปลนมาก่อน แต่ต้องออกแบบให้การเดินทางของไฟฟ้าไม่ล่าช้าเกินไป ประหยัดไฟ ฯลฯ ซึ่งออกแบบยากกว่าลงบน FPGA โดยตรง
ส่วนใหญ่บริษัทจะออกแบบลง FPGA ก่อนแล้วค่อยเอาแบบที่ดีแล้วไปลงต่อใน VLSI/ASIC เนื่องจากการออกแบบและสั่งทำ VLSI/ASIC มีราคาแพงมาก และทำได้ครั้งเดียว ไม่เหมือนกับ FPGA ที่สามารถออกแบบกี่รอบก็ได้)
แต่ความพยายามในการทำให้การออกแบบ VLSI หรือ ASIC ให้สามารถเข้าถึงได้มากขึ้นนั้น เป็นไปอย่างต่อเนื่อง
กำแพงแรกคือเรื่องของราคา การที่จะออกแบบชิปหากสามารถทำชิปให้อยู่บน wafer เดียวกันได้แล้วก็อาจทำให้ราคาในการผลิตนั้นต่ำลง วิธีนี้เองที่เรียกกันว่า Multi-project chip (MPC) คือการรวมชิปเข้าไปหลาย ๆ แบบในแผ่นเดียวกันแล้วผลิตทีเดียว ทำให้ต้นทุนในการ prototyping ลดลงมาก
กำแพงที่สองคือเรื่องของการออกแบบ ในปัจจุบันองค์ประกอบในการออกแบบชิปเช่น ASIC มีทั้งหมดสามองค์ประกอบ คือ การออกแบบในระดับ register-transfer level (RTL) หรือการออกแบบเชิงพฤติกรรมของวงจรแล้วสังเคราะห์ออกมาเป็น logic gate และ register เช่น NAND, NOR, flip-flop ซึ่งตอนนี้มีของ open-source แล้วเช่นของ RISC-V, ส่วนที่สองคือ Electronic design automation (EDA) หรือการออกแบบวงจรเชิงกายภาพ (placement and routing) มีโปรแกรม open-source แล้วคือ OpenROAD, etc., และส่วนสุดท้ายคือ process design kit (PDK) หรือโปรแกรมที่ช่วยออกแบบขั้นตอนการผลิตชิป ซึ่งเมื่อก่อนยังไม่เคยมี แต่เมื่อปี 2020 นี้เองที่ Google ได้สนับสนุนบริษัท SkyWater เพื่อออกโปรแกรมแบบ open-source สำหรับออกแบบขั้นตอนการผลิตชิปที่เทคโนโลยี 130 nm ซึ่งก็ไม่ได้เป็นเทคโนโลยีที่เล็กที่สุดที่ทำได้ (ถ้าได้ยินข่าวตอนนี้เริ่มลงไปถึง 1 nm แล้ว) แต่ก็ดีพอมากแล้วสำหรับบุคคลทั่วไปหรืออาจารย์ในมหาวิทยาลัยที่สามารถสั่งทำออกมาได้
ในตอนนี้ หากใครที่ต้องการไปดูตัวอย่างการออกแบบชิป VLSI/ASIC ของนักศึกษา ป.โท/ ป.เอก/ อาจารย์มหาวิทยาลัย หรือบุคคลทั่วไปแล้ว สามารถไปตามดูได้ที่โครงการแข่งขันของ Open MPW Shuttle Program ซึ่งได้รับสนับสนุนจาก Google-SkyWater เช่นกัน เป็นการให้บุคคลภายนอกสามารถออกแบบวงจร VLSI/ASIC แล้วส่งไปให้ Google-SkyWater ช่วยผลิตให้ทั้งหมดโดยที่ไม่ต้องจ่ายแม้แต่แดงเดียว แต่ขอให้ผลงานเป็นแบบ open-source และตรงกับสเปคที่โครงการต้องการเป็นพอ
การสนับสนุนวงการออกแบบชิปเริ่มมีมากขึ้นเรื่อย ๆ แต่ก็ต้องยอมรับว่าผู้เล่นในวงการนี้ถือว่าน้อยจริง ๆ ผู้ที่สามารถออกแบบวงจร VLSI/ASIC เชิงอุตสาหกรรมได้ส่วนใหญ่ควรจะจบปริญญาเอก และอาจจะต้องมีประสบการณ์ในการออกแบบและผลิตได้จริงแล้ว (tape-out) จึงจะมีโอกาสการออกแบบชิปเชิงอุตสาหกรรมได้ นอกจากนั้นยังมีเรื่องของ Verification ที่ยุ่งยากในการออกแบบ
ไม่ว่าอย่างไรก็ตาม โปรแกรมแบบ open-source ที่ออกมามากขึ้น ประจวบเหมาะกับบริษัทที่รับทำชิปแบบ Multi-project chip ก็มากขึ้นเช่นกัน ทำให้การทำชิปในเชิงภาคการศึกษาเริ่มมากขึ้น บางทีเราอาจจะได้เห็นการออกแบบพวกนี้ในระดับที่คนทั่วไปสามารถเข้าใจได้ เหมือนกับการออกแบบ C ใน Arduino ในสักวันหนึ่ง
ไม่มีใครรู้ว่าอนาคตของพวกนี้จะ mainstream มากแค่ไหน เพราะวงการออกแบบชิป from home ไม่ได้เพิ่งเริ่มขึ้น โดยมีช่อง Youtube ของ Sam Zeloof ที่ผลิตชิปจากบ้านมาตั้งแต่ปี 2016 แล้วด้วยซ้ำ…
ลิงก์:
Efabless Open MPW Shuttle Program โรงงานผลิตชิปทางบ้าน
ที่มารูปภาพ: EUROPRACTICE