ประวัติศาสตร์ CPU ของ AMD: จากผู้ผลิตชิปรองสู่ยุค Chiplet

เมื่อพูดถึงซีพียูพีซีมานานหลายสิบปี หลายคนนึกถึงชื่อเดียวคือ Intel แต่เรื่องราวของ x86 ไม่ได้มีบริษัทเดียว Advanced Micro Devices หรือ AMD เริ่มต้นจากบริษัทเล็ก ๆ ที่ผลิตชิปให้ผู้อื่น ใช้เวลาหลายสิบปีอยู่ใต้เงาของคู่แข่งรายใหญ่ ชนะคดีและการแข่งขันด้านการออกแบบหลายครั้ง แล้วในช่วงปลายทศวรรษ 2010 ก็สร้างตัวเองขึ้นใหม่ด้วยสถาปัตยกรรม Zen และวิธีผลิตชิปแบบ Chiplet บทความนี้เล่าเรื่องนั้นตั้งแต่การก่อตั้งในปี 1969 จนถึงซีพียูที่ใช้ในเกม เซิร์ฟเวอร์ และเครื่องเกมคอนโซลในปัจจุบัน

1969: จุดเริ่มต้นในซิลิคอนวัลเลย์

AMD ก่อตั้งในปี 1969 ที่ซันนีเวล รัฐแคลิฟอร์เนีย โดย Jerry Sanders และกลุ่มวิศวกรกับนักขายที่เคยทำงานที่ Fairchild Semiconductor บริษัทที่ช่วยพัฒนาวงจรรวมไม่กี่ปีก่อนหน้านั้น ช่วงแรกบริษัทผลิตชิปลอจิกและหน่วยความจำ หลายแบบเป็นการผลิตตามแบบที่บริษัทอื่นออกแบบไว้ การแข่งขันกับผู้ผลิตรายใหญ่ทำให้ AMD ต้องเน้นราคาและความรวดเร็วในการส่งสินค้า ซึ่งกลายเป็นนิสัยที่ติดตัวบริษัทมาตลอด

ยุคผู้ผลิตชิปรอง (Second Source)

ในทศวรรษ 1970 บริษัทอิเล็กทรอนิกส์ขนาดใหญ่ไม่อยากพึ่งผู้ขายรายเดียวสำหรับชิปสำคัญ หากซัพพลายเออร์ขาดแคลนหรือขึ้นราคา สินค้าทั้งสายการผลิตอาจหยุดชะงัก อุตสาหกรรมจึงใช้ระบบผู้ผลิตรอง (Second Source) คือบริษัทหนึ่งออกแบบชิป แล้วอีกบริษัทได้รับอนุญาตให้ผลิตชิปแบบเดียวกันเพื่อให้ลูกค้ามีทางเลือก AMD กลายเป็นผู้ผลิตรองที่สำคัญรายหนึ่ง

ในปี 1975 AMD เริ่มผลิตเวอร์ชันของโปรเซสเซอร์ Intel 8080 ชื่อ Am9080 ซึ่งใช้ขาและการทำงานเทียบเท่ากัน เครื่องที่ออกแบบสำหรับ 8080 จึงใช้ชิปของ AMD ได้โดยไม่ต้องแก้แผงวงจร บริการนี้ให้รายได้สม่ำเสมอและสร้างประสบการณ์ด้านการผลิตให้บริษัท ทั้งที่ยังไม่มีแบบโปรเซสเซอร์ของตัวเอง

IBM PC และ 8086

Intel 8086 ปี 1978 และ 8088 ที่ตามมาเป็นรากฐานของสถาปัตยกรรม x86 เมื่อ IBM เลือก 8088 สำหรับ IBM PC ในปี 1981 บริษัทต้องการผู้ผลิตรองเพื่อให้มีแหล่งจัดหาสำรอง Intel จึงต้องให้สิทธิ์การผลิตแก่บริษัทอื่น AMD เป็นหนึ่งในผู้ได้รับสิทธิ์นั้น ทำให้ AMD เข้าไปอยู่ในศูนย์กลางของธุรกิจพีซี เพราะ IBM PC กลายเป็นต้นแบบของคอมพิวเตอร์ที่เข้ากันได้ทั้งอุตสาหกรรม

อย่างไรก็ตาม สิทธิ์การผลิตมีขอบเขตจำกัด Intel ยังควบคุมการออกแบบ และสัญญากำหนดว่า AMD ผลิตชิปอะไรได้และภายใต้เงื่อนไขใด ความตึงเครียดระหว่างสองบริษัทจึงมีมาตลอด AMD ต้องการสิทธิ์เพื่อเติบโต ส่วน Intel ต้องการควบคุมสถาปัตยกรรมที่สร้างกำไรมากที่สุด

ข้อพิพาท 286 และ 386

ในปี 1982 Intel เปิดตัว 80286 ซึ่งเป็นชิป 16 บิตที่มีการจัดการหน่วยความจำดีขึ้น AMD ได้สิทธิ์ผลิต 80286 และทำเวอร์ชันของตัวเองชื่อ Am286 แต่ข้อตกลงมีเงื่อนไขเกี่ยวกับสิทธิ์การใช้ไมโครโค้ด ซึ่งเป็นคำสั่งระดับต่ำที่บอกโปรเซสเซอร์ว่าจะทำงานอย่างไร ข้อโต้แย้งเรื่องนี้ยืดเยื้อไปหลายปี

Intel 386 ปี 1985 เป็นชิป 32 บิตที่กลายเป็นรากฐานของซอฟต์แวร์พีซีสมัยใหม่ AMD ผลิต Am386 ได้ในที่สุดหลังการเจรจาและกระบวนการทางกฎหมายที่ยาวนาน การฟ้องร้องและอนุญาโตตุลาการใช้เวลาหลายปี และทั้งสองบริษัทจ่ายค่าใช้จ่ายทางกฎหมายจำนวนมาก ผลลัพธ์คือการอนุญาตข้ามสิทธิ์ (Cross-license) ที่วางหลักการว่าการออกแบบแบบใดถือเป็นงานที่ทำขึ้นเอง และแบบใดยังอยู่ภายใต้สิทธิ์ของเจ้าของเดิม

บทเรียนสำคัญของ AMD จากช่วงนี้คือ ทรัพย์สินทางปัญญาเป็นหัวใจของธุรกิจชิป บริษัทที่ไม่เป็นเจ้าของการออกแบบหลักจะเปราะบางเสมอ

486 และช่วงที่ AMD ต้องหาจุดยืนของตัวเอง

Intel 486 ปี 1989 รวมโปรเซสเซอร์ หน่วยประมวลผลทศนิยม (FPU) และแคชไว้ในชิปเดียว เร็วกว่า 386 อย่างชัดเจนและกลายเป็นมาตรฐานของเดสก์ท็อปสมรรถนะสูงในต้นทศวรรษ 1990 AMD ผลิต 486 ที่เข้ากันได้ของตัวเอง และยอดขายโตตามตลาดพีซีที่ขยายตัวเร็ว ลูกค้าต้องการเครื่องที่เร็วขึ้นในราคาที่ถูกลง และ AMD ให้ทางเลือกที่ผู้ประกอบคอมพิวเตอร์จำนวนมากชื่นชอบ

K5: ซีพียู x86 ที่ออกแบบเองทั้งหมดตัวแรก

ในปี 1996 AMD เปิดตัว K5 ซึ่งเป็นโปรเซสเซอร์ x86 ตัวแรกที่ออกแบบขึ้นเองทั้งหมด ก่อนหน้านั้น AMD พึ่งพาการออกแบบที่ได้รับสิทธิ์และการวิศวกรรมย้อนกลับของ Intel เป็นส่วนใหญ่ K5 พิสูจน์ว่าทีมของ AMD ทำชิปที่แข่งขันได้จากสถาปัตยกรรมของตัวเอง แม้ประสิทธิภาพไม่เสมอ Pentium ของ Intel แต่ให้ความคุ้มค่าด้านราคาและความเข้ากันได้กับซอฟต์แวร์ของยุคนั้น

โครงการ K5 เผชิญความยากหลายด้าน เป้าหมายการออกแบบบางอย่างทะเยอทะยานเกินไป ชิปออกสู่ตลาดช้ากว่าแผน แต่ประสบการณ์นี้สอนให้ AMD บริหารโครงการออกแบบขนาดใหญ่ ตรวจสอบตรรกะที่ซับซ้อน และประสานงานกับพันธมิตรด้านการผลิต

NexGen และ K6

ต้นปี 1996 AMD ซื้อกิจการ NexGen บริษัทขนาดเล็กที่มีทีมออกแบบโปรเซสเซอร์ Nx586 วิศวกรของ NexGen มีแนวคิดต่างออกไป พวกเขาแปลงคำสั่ง x86 เป็นการทำงานภายในที่ง่ายกว่า ทำให้ชิปประมวลผลหลายคำสั่งพร้อมกันได้ Nx586 มีจุดแข็งในบางงาน แต่ประสบปัญหาทั้งด้านการผลิตและการตลาด

AMD นำทีมของ NexGen มาเป็นฐานของ K6 ซึ่งออกในปี 1997 K6 เป็นชิปที่ประหยัดพลังงานและราคาไม่แพง แข่งกับ Pentium MMX ของ Intel โดยตรง ประสิทธิภาพงานทั่วไปดีเมื่อเทียบกับราคา ช่วยให้ AMD ได้ชื่อว่าเป็นผู้ผลิตซีพียูคุ้มค่า

K6-2 และ 3DNow!

K6-2 ที่ออกในปี 1998 เพิ่มชุดคำสั่งชื่อ 3DNow! เพื่อเร่งงานกราฟิกสามมิติและการคำนวณทศนิยมจำนวนมาก ชุดคำสั่งนี้ถูกพัฒนาขึ้นเพราะความต้องการเกมสามมิติและสื่อมัลติมีเดียที่เพิ่มขึ้น นักพัฒนาซอฟต์แวร์ต้องรองรับมันเอง ซึ่งไม่ใช่ทุกโปรแกรมที่ทำ แต่ K6-2 ให้ความสามารถที่ Intel ยังไม่มีในเวลานั้น

K6-2 ยังเป็นสินค้าที่ขายได้มากในตลาดราคาประหยัดและตลาดกลาง และช่วยให้ AMD ได้ส่วนแบ่งตลาดเดสก์ท็อปมากขึ้น

Athlon: ทำให้ AMD เป็นผู้นำด้านประสิทธิภาพ

ในปี 1999 AMD เปิดตัว Athlon ซึ่งพัฒนาโดยทีมที่นำโดย Dirk Meyer และวิศวกรอีกหลายคนที่เคยทำงานโครงการ K7 Athlon เป็นก้าวกระโดดครั้งใหญ่ มีสถาปัตยกรรมใหม่ บัสที่เร็วขึ้น และไปป์ไลน์ที่ลึกกว่าเดิม เป็นโปรเซสเซอร์ x86 ตัวแรกของ AMD ที่แข่งกับผลิตภัณฑ์สูงสุดของ Intel ได้อย่างจริงจังในด้านประสิทธิภาพดิบ

ในเดือนมีนาคม 2000 AMD กลายเป็นบริษัทแรกที่ส่งซีพียู x86 ความเร็ว 1 GHz ให้ผู้บริโภค ก่อน Intel เพียงเล็กน้อย เหตุการณ์นี้ได้รับการรายงานอย่างกว้างขวาง และเปลี่ยนภาพลักษณ์ของ AMD จากแบรนด์ราคาประหยัดเป็นผู้นำทางเทคนิค ผู้เล่นเกมและนักโอเวอร์คล็อกเริ่มชื่นชอบ Athlon

Thunderbird, Palomino และ Athlon XP

Athlon Thunderbird ปี 2000 เพิ่มแคชระดับสองบนแผ่นซิลิคอนเดียวกัน ทำให้ประสิทธิภาพดีขึ้น ตามด้วยแกน Palomino และ Athlon XP ชื่อ XP ถูกใช้เพื่อแสดงว่าซีพียูของ AMD ทำผลงานทัดเทียม Pentium 4 ของ Intel ในการทดสอบหลายรายการ แม้ความเร็วนาฬิกาจะต่ำกว่า การตั้งชื่อตามประสิทธิภาพแทนความถี่นี้เป็นที่ถกเถียง แต่ได้ผลในตลาด

Athlon XP และ Athlon MP ประสบความสำเร็จทั้งในเดสก์ท็อปและเซิร์ฟเวอร์ ช่วงนั้น AMD ทำกำไรได้ดี แต่การแข่งขันกับ Intel ยังเข้มข้น

Athlon 64 และ x86-64

จุดเปลี่ยนสำคัญของยุคนี้มาในปี 2003 เมื่อ AMD เปิดตัว Opteron สำหรับเซิร์ฟเวอร์ และ Athlon 64 สำหรับผู้ใช้ทั่วไป ทั้งสองรุ่นใช้ส่วนขยายของ x86 ที่เรียกว่า x86-64 หรือชื่อทางการ AMD64 ซึ่งเพิ่มการระบุตำแหน่งหน่วยความจำแบบ 64 บิตและรีจิสเตอร์เพิ่มเติม ส่วน Intel ได้พัฒนาสถาปัตยกรรม 64 บิตอีกแบบร่วมกับ Hewlett-Packard ชื่อ IA-64 หรือ Itanium ซึ่งไม่เข้ากับซอฟต์แวร์ x86 เดิม วิธีของ AMD ทำให้โปรเซสเซอร์รันโปรแกรม 32 บิตและ 64 บิตได้ทั้งสองแบบ ลูกค้าจึงอัปเกรดได้โดยไม่ต้องเขียนซอฟต์แวร์ใหม่

การตัดสินใจนี้ประสบความสำเร็จ Intel ในที่สุดก็นำชุดคำสั่ง AMD64 มาใช้ในชื่อ Intel 64 ซึ่งยืนยันว่า AMD เป็นผู้กำหนดทิศทางของ x86 กระแสหลักในทศวรรษถัดไป

ตัวควบคุมหน่วยความจำบนชิป

Athlon 64 ยังย้ายตัวควบคุมหน่วยความจำ (Memory Controller) เข้ามาอยู่ในตัวโปรเซสเซอร์ เดิมตัวควบคุมนี้อยู่บนเมนบอร์ดเป็นชิปแยก ทำให้ทุกการเข้าถึงหน่วยความจำมีความหน่วงเพิ่ม เมื่อรวมเข้ากับโปรเซสเซอร์ การดึงข้อมูลจากแรมเร็วขึ้น และประสิทธิภาพในหลายแอปพลิเคชันดีขึ้น แนวคิดนี้กลายเป็นมาตรฐานของซีพียูทุกค่าย และยังเป็นรากฐานของ Infinity Fabric กับการออกแบบ Chiplet ในภายหลัง

Athlon 64 X2 และยุคดูอัลคอร์

ในปี 2005 AMD เปิดตัว Athlon 64 X2 ซึ่งเป็นโปรเซสเซอร์สองแกนบนแผ่นเดียว Intel ก็มีดูอัลคอร์ในเวลาใกล้เคียงกัน แต่ Athlon 64 X2 ได้รับคำชมเรื่องประสิทธิภาพ การใช้พลังงานที่ต่ำ และความเข้ากันได้กับเมนบอร์ดที่มีอยู่ ทำให้ AMD แข็งแกร่งในตลาดผู้บริโภคช่วงแรกของการประมวลผลหลายแกน

การซื้อ ATI ในปี 2006

ในปี 2006 AMD ซื้อกิจการ ATI Technologies ผู้ผลิตชิปกราฟิกรายใหญ่ ด้วยมูลค่าประมาณ 5.4 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ การซื้อครั้งนี้เปลี่ยนทิศทางของบริษัท ได้ทีมกราฟิกที่มีประสบการณ์หลายสิบปีและพอร์ตสิทธิบัตรที่มีค่า AMD เชื่อว่าการรวมการประมวลผลกลางกับการประมวลผลกราฟิกจะกำหนดอนาคตของคอมพิวเตอร์

การซื้อกิจการนี้ก็มีต้นทุนสูง AMD ต้องกู้ยืมจำนวนมาก และต้องรวมสององค์กรวิศวกรรมที่มีวัฒนธรรมต่างกัน สถานะการเงินจึงเปราะบางขึ้นในปีต่อมา แต่แนวคิดการรวม CPU กับ GPU นี้นำไปสู่ APU หรือ Accelerated Processing Unit ที่ AMD เริ่มส่งในปี 2011 รวมถึงชิปของเครื่องเกมคอนโซลในภายหลัง

Phenom และความผิดพลาดที่แพง

Phenom ที่ออกในปี 2007 เป็นซีพียูสี่แกนที่ออกแบบบนแผ่นซิลิคอนเดียวกันทั้งหมดตัวแรกของ AMD ไม่ใช่การนำดูอัลคอร์สองชิ้นมาต่อกัน การออกแบบนี้ทะเยอทะยาน แต่มีปัญหาในรุ่นแรก โดยเฉพาะบั๊กในส่วน Translation Lookaside Buffer (TLB) ที่กระทบเสถียรภาพและประสิทธิภาพในบางสถานการณ์ AMD ออกแพตช์และแก้ไขในรุ่นต่อมา แต่ชื่อเสียงเสียหายไปมาก

ความเร็วนาฬิกาของ Phenom ยังตามหลัง Core 2 ของ Intel ซึ่งเปิดตัวในปี 2006 ด้วยประสิทธิภาพที่นำหน้ามาก ส่วนแบ่งตลาดของ AMD อ่อนลง และบริษัทต้องเน้นการลดต้นทุนและธุรกิจกราฟิก ช่วงนี้จึงสอนให้ AMD เห็นคุณค่าของการตรวจสอบการออกแบบ การกำหนดเวลา และต้นทุนของความผิดพลาด

Bulldozer และ APU

ในปี 2011 AMD เปิดตัวสถาปัตยกรรม Bulldozer ซึ่งจัดกลุ่มแกนเป็นโมดูล โดยสองแกนใช้หน่วยทศนิยมร่วมกัน ความคิดคือเพิ่มจำนวนแกนได้ในต้นทุนชิปที่เหมาะสม แต่การทดสอบประสิทธิภาพต่อแกนออกมาต่ำกว่าที่คาด โดยเฉพาะในงานที่ใช้ทศนิยมมาก ซีพียูชุด FX จึงถูกวิจารณ์อย่างหนัก

ในช่วงเดียวกัน AMD ส่ง APU ชุด Llano ที่รวมซีพียูและจีพียูไว้ในชิปเดียวสำหรับโน้ตบุ๊กและเดสก์ท็อปราคาประหยัด APU เป็นแนวทางที่ถูกต้องในระยะยาว แต่ในช่วงนั้นบริษัทมีเงินทุนจำกัดมาก

ช่วงยากลำบากและการกลับมา

ตั้งแต่ปี 2012 ถึง 2016 AMD ต้องลดขนาดองค์กรและลดค่าใช้จ่ายอย่างมาก ผู้บริหารคนสำคัญคือ Lisa Su ซึ่งรับตำแหน่ง CEO ในเดือนตุลาคม 2014 เธอเน้นการมุ่งเป้าไปที่ผลิตภัณฑ์หลักและการพัฒนาสถาปัตยกรรมใหม่ Jim Keller ซึ่งเคยออกแบบชิปหลายตัวที่ได้รับคำชม เข้าร่วมทีมในปี 2012 และนำการพัฒนาสถาปัตยกรรม Zen มาสู่ AMD

Zen ถูกออกแบบมาเพื่อให้มี IPC หรือจำนวนคำสั่งต่อรอบสัญญาณนาฬิกาที่ดีขึ้นมาก ใช้โครงสร้างที่ปรับให้เหมาะกับการเพิ่มจำนวนแกน และพร้อมสำหรับการผลิตขนาดเล็กลงของ TSMC

Zen และ Ryzen

ในเดือนมีนาคม 2017 AMD เปิดตัว Ryzen รุ่นแรก ซึ่งเป็นซีพียูที่ใช้สถาปัตยกรรม Zen ราคาต่ำกว่าคู่แข่งที่มีจำนวนแกนเท่ากันมาก ทำให้ Ryzen กลับมาเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจของผู้เล่นเกมและนักสร้างเนื้อหา ตามด้วย EPYC สำหรับเซิร์ฟเวอร์ในเดือนมิถุนายน 2017 ซึ่งเสนอจำนวนแกนและหน่วยความจำมากกว่าเซิร์ฟเวอร์ของ Intel ในราคาที่แข่งขันได้

Chiplet: เปลี่ยนเศรษฐศาสตร์ของการผลิต

Zen 2 ที่ออกในปี 2019 เป็นจุดเปลี่ยนสำคัญอีกครั้ง AMD แยกซีพียูออกเป็นหลายชิปเล็กที่เรียกว่า CCD (Core Complex Die) และวางบนแผ่นฐานที่มี I/O และตัวควบคุมหน่วยความจำ เรียกว่า IOD (I/O Die) ทั้งสองส่วนเชื่อมด้วย Infinity Fabric

ข้อดีของวิธีนี้คือชิปเล็กมีผลผลิตที่ดีกว่า เมื่อผลิตบนกระบวนการ 7 นาโนเมตรของ TSMC ชิปเล็กที่ไม่มีข้อบกพร่องมีจำนวนมากกว่าชิปใหญ่ ทำให้ต้นทุนต่อหน่วยลดลง AMD สามารถใช้ CCD ตัวเดียวกันกับหลายผลิตภัณฑ์ ตั้งแต่ Ryzen ไปจนถึง EPYC ที่มีแกนจำนวนมาก วิธีนี้ทำให้ AMD แข่งขันด้านราคาและจำนวนแกนได้ดียิ่งขึ้น

Zen 3, 3D V-Cache และ Zen 4

Zen 3 ในปี 2020 ปรับโครงสร้างแคชของ CCD ให้แกนหนึ่งเข้าถึงแคช L3 ได้มากขึ้น ทำให้ประสิทธิภาพในเกมดีขึ้นอย่างชัดเจน ในปี 2022 AMD เปิดตัว Ryzen 7 5800X3D ซึ่งซ้อนแคช 3D V-Cache ไว้บน CCD ทำให้แคช L3 เพิ่มขึ้นอย่างมาก และกลายเป็นซีพียูที่ได้รับความนิยมในกลุ่มผู้เล่นเกมเพราะเพิ่มประสิทธิภาพเกมได้มาก

Zen 4 ในปี 2022 มาพร้อมซ็อกเก็ต AM5 และหน่วยความจำ DDR5 ซึ่งเป็นการเปลี่ยนมาตรฐานแพลตฟอร์มครั้งสำคัญ ส่วน Zen 5 ที่ออกในปี 2024 เพิ่มประสิทธิภาพต่อรอบสัญญาณนาฬิกาและปรับปรุงการประมวลผลเชิงคำนวณ

เครื่องเกมคอนโซลและอุปกรณ์พกพา

AMD ผลิตชิปให้เครื่องเกมคอนโซลหลายรุ่น ได้แก่ PlayStation 4 และ Xbox One ในปี 2013 ที่ใช้สถาปัตยกรรม Jaguar และ PlayStation 5 กับ Xbox Series ที่ใช้ Zen 2 ในปี 2020 ซึ่งทำให้ AMD มีรายได้ที่มั่นคงจากสัญญาระยะยาว นอกจากนี้ Steam Deck ที่ออกในปี 2022 ใช้ APU ของ AMD ที่มีสถาปัตยกรรม Zen 2 และจีพียู RDNA ทำให้ AMD อยู่ในอุปกรณ์เกมพกพาด้วย

บทเรียนจากประวัติศาสตร์ AMD

สรุป

จากชิปเลียนแบบ 8080 ในปี 1975 สู่ Athlon ที่ทำความเร็ว 1 GHz ไปจนถึง Ryzen และ EPYC ที่ใช้ Chiplet ประวัติของ AMD เป็นเรื่องของการต่อสู้ในตลาดที่คู่แข่งใหญ่กว่ามาก และการสร้างตัวเองใหม่หลายครั้ง ทุกครั้งที่คุณเปิดคอมพิวเตอร์ที่ใช้ซีพียู AMD คุณกำลังได้รับผลของการตัดสินใจทางวิศวกรรมเหล่านี้