Cuộc chạy đua sản xuất chip 20 nm đang bắt đầu

Một trong các hãng gia công bán dẫn lớn nhất thế giới, Global Foundries (GF), cho biết các nhà máy (fab) của họ đang sẵn sàng cài đặt các thiết bị sản xuất mới dùng cho tiến trình 20nm. Dự kiến việc cài đặt và kiểm tra sẽ hoàn tất vào cuối năm nay để sang năm sau, GF có thể chính thức đi vào sản xuất chip 20nm. Nếu mục tiêu này giữ đúng tiến độ, thì GF sẽ ở trong thế đối đầu trực diện với TSMC, hiện cũng đang có kế hoạch tương tự.

Nghiên cứu (R&D) bán dẫn là một trong những ngành đòi hỏi hàm lượng chất xám cực cao và tốn kém rất nhiều kinh phí. Trong những năm gần đây, các thành tựu trong bán dẫn ngày càng khó đạt được vì kích thước transistor (trans) đang gần tới điểm tới hạn của chúng và người ta cần phải có nhiều "mánh" hơn để đảm bảo chúng vẫn thoả các yêu cầu. Nhưng để tìm ra "mánh" không phải đơn giản mà mất nhiều công nghiên cứu cũng như tiền bạc.

"Cái khó ló cái khôn", một số hãng bán dẫn nhận ra tự mình bươn chải nghiên cứu hết tất cả sẽ không đảm bảo sự tồn tại về mặt lâu dài, đặc biệt nếu nguồn tài chính không dư dả. Do vậy họ bắt tay liên kết với nhau nhằm giảm thiểu bớt các rủi ro trên (bằng cách sẻ ra mỗi người một ít). Điển hình trong trường hợp này là liên minh bán dẫn Fishkill với ba thành viên chính - IBM, GF và Samsung. Nhờ sự hợp tác này, các thành viên của Fishkill là một trong những đơn vị đầu tiên hoàn tất giai đoạn sau cùng (tape-out) trong khâu thiết kế mẫu chip ARM trên tiến trình 20nm. Gần một năm sau khi đạt được thành tựu trên, giờ đây GF có đủ tự tin để sẵn sàng đi vào sản xuất đại trà chip 20nm.

Ngoài ra, sự hợp tác nghiên cứu chung này có một điểm lợi khác - một thiết kế chip có thể sản xuất được trên các fab khác nhau của các hãng khác nhau. Trước nay dù là cùng một node bán dẫn, song các khác biệt trong khâu sản xuất dẫn đến nhiều khó khăn nếu một công ty A muốn gửi bản thiết kế của mình đến nhiều hãng X, Y, Z để gia công. Lấy ví dụ là chip 28nm được thiết kế trên quy trình của TSMC không giống với chip 28nm thiết kế trên quy trình của GF. Và nay, do GF và Samsung chia sẻ chung kỹ thuật 20nm, nếu STMicroelectronics (ST) hoặc Qualcomm không nhận được đủ chip từ GF, họ có thể gọi điện cho Samsung để đề nghị gia công thêm nếu dây chuyền 20nm của Samsung vẫn còn thừa công suất.

Chính yếu tố hợp tác chung này khiến cho dây chuyền 20nm của GF nói riêng và Fishkill nói chung đạt được tính hiệu quả về mặt chi phí (cost-effective) cao hơn so với các dây chuyền "đơn độc" khác.

Di động là tương lai, ít nhất trong vài năm tới và một tiến trình bán dẫn mới thường sẽ được khai thác nhiều trong 2 năm đầu tiên. Vì vậy mà node 20nm của GF được đầu tư nhiều cho các thiết kế di động, mà chủ yếu là kiến trúc ARM. Điều này cũng không quá khó hiểu. GF thực ra chỉ mới ra mắt được ba năm. Tiền thân của hãng này là dây chuyền sản xuất chip của AMD, có cơ sở chính đặt tại Dresden (Đức). Nhờ lượng tiền đầu tư dồi dào của ATIC (một công ty Arab), GF đã mua lại được Chartered Semiconductor - lúc bấy giờ là hãng gia công bán dẫn lớn thứ ba thế giới - và trở thành đơn vị gia công đứng thứ hai, chỉ sau TSMC.

Tuy vậy, GF hiện vẫn chưa có nhiều khách hàng, chủ yếu có AMD, Broadcom, Qualcomm và ST. Mục tiêu trước mắt từ hội đồng quản trị của hãng này là lôi kéo được càng nhiều khách hàng từ tay các đối thủ khác (như TSMC, UMC, SMIC) càng tốt. Vì thế, GF phải đáp ứng được nhu cầu của phần đông các công ty không có fab (fabless) sản xuất. Trong thời điểm này, đấy là những công ty chuyên về chip ARM (Apple, Broadcom, NVIDIA, ST, Texas Instruments, ST-Ericsson...). Đây là nguyên nhân tại sao GF tích cực tối ưu node 20nm cho di động.

Đặc biệt nếu bạn chú ý, vấn đề sản lượng tiến trình 28nm của TSMC đã khiến nhiều khách hàng của hãng này không hài lòng. Như Qualcomm đã không có đủ chip Snapdragon S4 (bản 28nm) để cung cấp cho HTC sản xuất model One X và nhà sản xuất smartphone Đài Loan đã rất giận dữ vì điều trên. HTC buộc phải dùng các chip Tegra 3 (45nm) của NVIDIA để "bù" vào lượng One X phiên bản quốc tế. Do vậy nếu GF có thể chuẩn bị tốt cho node 20nm, hãng này có rất nhiều cơ hội để "giật miếng ăn" với TSMC.

Kinh doanh công nghệ là một ngành cực kỳ nhạy cảm với thay đổi. Vấn đề không chỉ là nghiên cứu cho hôm nay hay ngày mai, mà còn cho cả ngày kia và những ngày tiếp theo đấy. Do đặc tính ấy, gia công bán dẫn nói riêng tạo ra một thị trường đầy tiềm năng cũng như rủi ro (một phần tôi đã nêu ở trên). Trao đổi tại Computex 2012 mới đây, những viên chức đứng đầu GF bày tỏ một niềm tin lớn với tương lai công nghiệp gia công bán dẫn, ngược lại hoàn toàn quan điểm của Intel (một công ty không / tham gia rất ít thị trường gia công).

GF kỳ vọng nền công nghiệp gia công sẽ tiếp tục tăng trưởng, ở tốc độ gấp đôi (10% mỗi năm) so với toàn ngành bán dẫn nói chung (5% mỗi năm). GF dự đoán tổng doanh thu từ mảng gia công sẽ tăng từ mức 304 tỷ trong 2011 lên 384 tỷ USD vào 2016. Các tiến trình bán dẫn tiên tiến (node 65nm và nhỏ hơn) sẽ tăng gấp đôi trong giai đoạn này - từ 15 tỷ lên 34 tỷ USD.

Với một kỳ vọng như thế, nếu GF muốn giành được "miếng ngon", buộc bản thân hãng này nếu không phải "hạng nhất" thì ít nhất cũng phải đứng "thứ hai" về mặt tiên tiến công nghệ (chỉ tính trong gia công). Hãng này đã vạch ra sẵn những bước cần đi trong các năm tới. Và nếu quan sát kỹ, các bước này khá giống với Intel, một trong các hãng công nghệ hàng đầu thế giới, hiện cũng đang triển khai nghiên cứu các tiến trình hậu 14nm.

Cuộc đua bán dẫn trong các năm tới, hứa hẹn sẽ có nhiều thú vị khi Intel, GF và TSMC cùng ganh đua xem ai sẽ đạt vị thế dẫn đầu về công nghệ. Tại node 14nm, cả ba cái tên này đều cho biết sẽ đi vào sản xuất trong 2013 và dự kiến sản phẩm của họ sẽ xuất hiện trên thị trường vào 2014.