Chế tạo chip là công việc phức tạp và thách thức nhất thế giới

Con chip đang chiếm lĩnh vai trò trung tâm của nền kinh tế toàn cầu với vô số ứng dụng trên các lĩnh vực điện toán, viễn thông, y tế, quân sự, giao thông, năng lượng,… Mọi cường quốc và cả những nền kinh tế mới nổi đều đang có các “kế hoạch riêng” cho cuộc chơi bán dẫn.

Vở ballet ở cấp độ nanomet

Những transistor (bóng bán dẫn) tiên tiến có thể đạt kích thước chỉ khoảng vài nm. Để so sánh, đường kính trung bình của sợi tóc người là khoảng 80.000 nm. Lấy ví dụ, Comet Lake – bộ vi xử lý (CPU) thế hệ thứ 10 của Intel – được sản xuất trên tiến trình 10nm, có kích thước các cổng (gate) chỉ là 34nm, cho năng lực tính toán cùng hiệu suất tiêu thụ năng lượng vượt trội. Những sai số, dù chỉ là nhỏ nhất trong quá trình chế tạo, cũng có thể làm ảnh hưởng tới kết quả này.


Vật liệu tinh khiết gần như tuyệt đối

chip 1280x821 800 resize

Đây là yếu tố mang ý nghĩa sống còn. Sự xuất hiện của tạp chất, cho dù ở tỷ lệ rất nhỏ, cũng có thể làm hỏng toàn bộ những tấm wafer silicon. Đó là lý do mà các nhà máy chế tạo bán dẫn thường luôn phải duy trì những tiêu chuẩn an toàn vệ sinh cực kỳ nghiêm ngặt trong phòng sạch (clean room) và sử dụng vật liệu siêu tinh khiết đã qua tinh chế.

Chi phí quá lớn

Suất đầu tư một nhà máy bán dẫn hay xưởng đúc chip (foundry) hoặc fab tiên tiến theo thuật ngữ chuyên môn có thể ngốn hàng tỷ, thậm chí chục tỷ USD. Các máy móc thiết bị được sử dụng trong những nhà máy đó thường là loại hiện đại nhất nên cực kỳ đắt đỏ. Đó chính là rào cản lớn nhất đối với mọi tay chơi mong muốn gia nhập ngành. Chẳng hạn, fab 5nm do TSMC, nhà sản xuất bán dẫn số 1 thế giới, đầu tư tại Phoenix thuộc tiểu bang Arizona (Mỹ), theo ước tính sẽ tiêu tốn của hãng này khoảng 25 tỷ USD. Sau khi đi vào vận hành, nhà máy sẽ tập trung chế tạo những con chip tiên tiến tương đương với thiết kế của A14 Bionic trên chiếc iPhone 12 của Apple.

Thời gian

Chiến lược phát triển ngành công nghiệp bán dẫn phải là một cuộc đua marathon chứ không phải giải chạy nước rút. Những quy trình hoàn thiện, bao gồm thiết kế, sản xuất cho đến thương mại hóa sản phẩm cuối cùng, thường mất hàng tháng rõng rã do tính phức tạp đặc thù cùng đòi hỏi kiểm soát chất lượng chặt chẽ ở mọi khâu. Lấy ví dụ: Samsung đã mất gần hai năm nghiên cứu, phát triển và thử nghiệm (cùng rất nhiều tiền bạc) để nhảy từ tiến trình 7 nm lên 5 nm, tuy nhiên các con chip do hãng này sản xuất lại bị đánh giá là mắc rất nhiều lỗi.

Mạng lưới phức tạp

Quy trình chế tạo bán dẫn tiên tiến là một kỳ quan kỹ thuật hiện đại, bao gồm vô số công đoạn cực kỳ phức tạp, đòi hỏi sự chính xác, tuân thủ tuyệt đối và không có chỗ cho những lỗi lầm dù chỉ là nhỏ nhất. Chuỗi giá trị bán dẫn toàn cầu cũng bao gồm rất nhiều mắt xích, mỗi nơi lại nắm giữ một mảng dựa trên thế mạnh đặc thù. Cụ thể, Mỹ là nơi tập trung các công ty thiết kế chip hàng đầu thế giới, trong khi Nhật Bản và châu Âu lại có những nhà cung cấp (vật liệu, thiết bị,… chế tạo chip quan trọng nhất), còn việc thực thi (đúc chip) lại được thực hiện chủ yếu tại châu Á bởi các công ty Đài Loan và Hàn Quốc. Hiện tại, hãng ASML của Hà Lan đang là nhà cung cấp độc quyền máy quang khắc siêu cực tím (EUV) trị giá hàng trăm triệu USD có khả năng khắc những mẫu (patterns) kích thước nm lên tấm wafer silicon với độ chính xác kinh ngạc.

Những thách thức khác

– Thiếu hụt lao động kỹ năng cao: Bản chất đặc biệt phức tạp cùng với chi phí đào tạo cao chính là rào cản ngăn cản các tay chơi mong muốn gia nhập cuộc đua bán dẫn. Ngay đến Mỹ vẫn còn thiếu hụt kỹ sư nắm vững know-how để có thể sản xuất những con chip tiên tiến nhất cho Apple, NVIDIA,… (theo lời ông Morris Chang, nhà sáng lập TSMC). Những công ty lớn như TSMC, Samsung và Intel vì thế thường chi rất nhiều tiền cho các chương trình hợp tác cùng khu vực nghiên cứu (viện, trường đại học) để nuôi dưỡng một lực lượng lao động lành nghề, đủ sức đương đầu với những thách thức của ngành.

– Nguy cơ đứt gãy: Chuỗi cung ứng bán dẫn toàn cầu hiện đang tỏ ra hết sức nhạy cảm trước các diễn biến và căng thẳng địa kinh tế chính trị. Việc chất bán dẫn được sản xuất tập trung ở một số khu vực được đánh giá là điểm nóng như Đài Loan và Hàn Quốc cũng khiến nguồn cung rất dễ bị gián đoạn. Các cường quốc như Mỹ, Nhật Bản và châu Âu đang tìm cách thay đổi điều này,

– Biến đổi khí hậu: Tình trạng cũng đặt ra nhiều mối đe dọa mới đối với ngành bán dẫn. Các diễn biến thời tiết cực đoan như trận bão lớn ở Texas vào mùa đông 2021, hay hạn hán kéo dài tại Đài Loan năm 2022, cũng có thể gây thiếu hụt nguồn cung chip. Điều này đòi hỏi những chiến lược phát triển chú trọng tính bền vững của chuỗi giá trị chip toàn cầu.

Sau cùng, nhu cầu bán dẫn của thế giới chắc chắn sẽ còn tăng trưởng mạnh mẽ trong thời gian tới và mở ra rất nhiều cơ hội, cho cả những nước đang phát triển như Việt Nam. Năng lực đổi mới cùng những nỗ lực thích ứng và hợp tác toàn cầu sẽ là chìa khóa giúp thúc đẩy cuộc cách mạng công nghệ này.

Nguồn: Vũ Phạm – Tạp chí Tia Sáng

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *