Kẻ vui người buồn vì chip điện tử khó lòng ‘nhỏ’ thêm nữa: Khi cuộc đua bán dẫn đến điểm giới hạn và bí mật đằng sau sự trở lại của Huawei

Tờ Nikkei Asian Review nhận định chip điện tử khó có thể đột phá công nghệ hay thu nhỏ hơn nhiều so với trước đây nữa nếu không có bất kỳ cuộc cách mạng kỹ thuật mới nào diễn ra. Thông tin này khiến cuộc đua bán dẫn hiện nay trở nên phức tạp hơn nhiều.

Giới hạn

Năm 2009, Giám đốc nghiên cứu và phát triển Chiang Shang Yi của TSMC đã nhận ra ngành chip bán dẫn đã đến giới hạn của đà phát triển công nghệ thông thường và cần một giải pháp mới.

Thay vì cố gắng ép nhiều bóng bán dẫn hơn vào những con chip ngày càng nhỏ theo cách thông thường để làm chúng mạnh hơn, giám đốc Chiang đã đề nghị nhà sáng lập Morris Chang thay đổi cách tư duy khi nhắm vào việc cải tiến công nghệ đóng gói chip bán dẫn (Chip Pakaging).

"Tôi đã nói với ngài Chang rằng định luật Moore sẽ dần chậm lại trong những năm tới nên chúng ta cần phải thử một thứ gì đó khác để cải thiện hiệu suất chip bán dẫn", ông Chiang nhớ lại.

Định luật Moore được nhà đồng sáng lập Gordon Moore của Intel trình bày lần đầu vào năm 1965, qua đó dự đoán số lượng bóng bán dẫn trên mỗi con chip sẽ tăng gấp đôi mỗi năm khiến hiệu năng của chúng mạnh lên theo cấp số nhân qua thời gian.

Tuy nhiên đến năm 1975, định luật này bị sửa đổi thành 2 năm một lần khi việc nhét ngày càng nhiều bóng bán dẫn vào một con chip nhỏ hơn bộc lộ những giới hạn về tiềm năng.

Trước đây, những chiếc bóng bán dẫn đầu tiên của chip thường dài đến 1cm thì đến năm 1950, chúng chỉ còn được đo bằng mm. Ngày nay, những linh kiện này thậm chí chỉ được đo bằng nanomet (nm) với hàng tỷ bóng bán dẫn trên mỗi con chip điện tử.

Xin được nhắc rằng một sợi ADN của con người chỉ có đường kính 2,5 nm.

Theo Nikkei, mặc dù định luật Moore đã định hình sự phát triển của ngành chip bán dẫn trong nhiều thập kỷ khi quá trình thu nhỏ các con chip đã thúc đẩy toàn bộ ngành công nghệ, từ máy tính cá nhân, điện thoại thông minh cho đến trí thông minh nhân tạo (AI) ngày nay.

Tuy nhiên việc thu nhỏ này đang ngày càng trở nên khó khăn vì giới hạn của chúng, khiến chỉ một bước tiến nhỏ cũng có thể đem lại sự khác xa về hiệu năng. Ví dụ mảng phát triển AI hiện nay được cho là chỉ hiệu quả khi dùng những con chip có kích thước dưới 4nm.

Bất chấp điều đó, hàng loạt những tập đoàn lớn từ Intel của Mỹ cho đến Samsung của Hàn Quốc hay TSMC đều đã đổ hàng tỷ USD để cố gắng đạt tới điểm giới hạn của định luật Moore.

Thế nhưng theo giám đốc Chiang, cuối cùng thì định luật Moore cũng sẽ chấm dứt và điều này sẽ tạo nên thay đổi hoàn toàn trong cuộc đua công nghệ.

"Nếu định luật Moore đạt tới điểm giới hạn thì nó sẽ ảnh hưởng cực kỳ lớn đến ngành bán dẫn", ông Chiang nói với Nikkei.

"Ngành chip bán dẫn sẽ trở nên bình thường hơn so với hiện nay, không còn gì để đột phá trong 20 năm tới nếu không có một cuộc cách mạng công nghệ nào khác diễn ra", giám đốc Chiang bổ sung.

Theo ông Chiang, việc đạt tới giới hạn về kích thước có thể khiến chip bán dẫn trở thành hàng hóa bình thường như ngành thép hay nhựa, tập trung vào số lượng khi mặt bằng tiêu chuẩn, hiệu năng đã bị xóa nhòa.

"Sự cào bằng về chất lượng này sẽ khiến những nền kinh tế đi sau trong mảng chip bán dẫn như Trung Quốc có cơ hội cực lớn", giám đốc Chiang thừa nhận.

Bắt kịp

Giám đốc Chiang của TSMC dự đoán sớm hay muộn thì khoảng cách công nghệ chip điện tử hiện nay sẽ bị thu hẹp và cào bằng.

"Nếu người đi đầu không thể chạy nhanh hơn nữa thì kẻ đi sau kiểu gì cũng sẽ bắt kịp. Trong mảng chip điện tử, người dẫn đầu không được phép vấp ngã dù chỉ một lần nếu không muốn bị vượt mặt", Phó giám đốc Dan Hutcheson của TechInsights đồng quan điểm với giám đốc Chiang.

Tờ Nikkei cho hay khoảng cách giữa Intel và TSMC, tập đoàn chip điện tử hàng đầu Trung Quốc đang thu hẹp hơn bao giờ hết.

Mặc dù có những yếu tố địa chính trị như lệnh cấm vận công nghệ của Phương Tây, nhưng tờ Nikkei nhận định sự giới hạn của công nghệ chip bán dẫn đang khiến cuộc chạy đua này dần trở nên quân bình hơn.

Hãng Intel đứng đầu mảng chip bán dẫn của Mỹ từng bỏ xa các đối thủ Trung Quốc ít nhất 4-5 năm công nghệ, tương đương hơn 2 thế hệ chip điện tử. Thế nhưng con số này giờ đây chỉ còn là gần 3 năm, tương đương khoảng cách 1,5 thế hệ phát triển chip điện tử.

Nguồn tin của Nikkei cho hay với sự trỗi dậy của Huawei, hãng SMIC của Trung Quốc đang đẩy mạnh mảng chip bán dẫn của mình từ công nghệ 7nm lên 5nm.

Hiện TSMC và Samsung đang sản xuất chip 3nm, còn Intel là 5nm. Cả 3 tập đoàn này đang chạy đua để sản xuất chip 2nm vào năm 2025.

Con số 2-3-5 nm này có thể hiểu là độ dày của một cánh cửa truyền tải dữ liệu trong chip bán dẫn. Độ dày cửa càng nhỏ thì lượng dữ liệu truyền tải được qua càng nhiều và nhanh hơn.

Tuy nhiên việc thu nhỏ cánh cửa cũng có điểm giới hạn và nếu không có công nghệ mới thì gần như là bất khả thi để thu nhỏ thêm nữa. Bởi vậy các công ty đang chuyển sang thay đổi cách thiết kế hoặc dùng vật liệu mới cho chip bán dẫn.

Intel là hãng đi tiên phong khi dùng cách thiết kế FinFET từ năm 2012, sau đó TSMC và Samsung cũng nối gót. Đến năm 2022 thì hầu như các hãng chip đều đã chuyển sang sử dụng cách thiết kế "Gate All Around" để phát triển các dòng chip siêu nhỏ.

Mặc dù vậy, việc đổi cách thiết kế hay dùng vật liệu mới lại quá đắt đỏ. Tổng chi phí tài sản cố định của TSMC, Intel và Samsung Electronis cộng lại năm 2022 đã lên đến hơn 97 tỷ USD, cao gấp đôi so với ngân sách dự kiến mà Liên minh Châu Âu (EU) dùng để phát triển ngành chip trong 10 năm tới.

"Chi phí phát triển công nghệ mới quá cao đang làm giảm tốc độ đổi mới của ngành chip bán dẫn. Trước đây những hãng như TSMC chỉ cần 2-3 năm để ra mắt công nghệ chip mới thì kể từ nay trở đi, họ sẽ cần nhiều thời gian hơn thế", CEO Handel Jones của hãng tư vấn IBS khẳng định.

Đồng quan điểm, các chuyên gia trong ngành nhận định giới hạn của định luật Moore sẽ khiến các hãng đi sau như SMIC của Trung Quốc có cơ hội thu hẹp khoảng cách với những đối thủ đi đầu.

"Trong bối cảnh định luật Moore đã tới giới hạn, tốc độ phát triển công nghệ chip bán dẫn chậm dần thì các doanh nghiệp sẽ phải tìm kiếm hướng đi khác nếu còn muốn gia tăng hiệu suất sản phẩm. Thế nhưng đây lại trở thành cơ hội cho Trung Quốc khi nền kinh tế này đã cố gắng bắt kịp cuộc đua trong nhiều năm", kỹ sư Wu Hanming của Viện kỹ thuật hàn lâm Trung Quốc (CAE) nhận định.

Báo cáo của IBS cho thấy để đầu tư phát triển chip bán dẫn 2nm dùng cho công nghệ AI thì cần khoảng 30 tỷ USD, cao gấp 10 lần so với số tiền cần để xây dựng một nhà máy chip thông thường cho các đồ dùng thiết bị điện tử gia dụng.

Chiến trường mới

Quay trở lại với TSMC vào năm 2009, tập đoàn này đã nhận ra việc cố gắng theo đuổi thu nhỏ chip điện tử sẽ đến điểm giới hạn và bắt đầu chuyển hướng đầu tư sang công nghệ đóng gói chip bán dẫn "Chip Packaging".

Công nghệ này từng được xem là một phần kỹ thuật thấp trong chuỗi cung ứng chip bán dẫn khi chỉ đơn thuần là một lớp bảo vệ các bảng mạch tích hợp. Chúng yêu cầu ít kỹ thuật hơn so với việc chế tạo chip bán dẫn và dường như không làm tăng hiệu suất như hướng đi gia tăng số lượng bóng bán dẫn.

Thế nhưng giám đốc Chiang của TSMC nhận ra rằng nếu kết nối các loại chip khác nhau, như chip nhớ và chip xử lý trong công nghệ đóng gói thì tổng thể bảng mạch sẽ có được sự cải tiến rất lớn về hiệu năng. Chính vì vậy ông đã thuyết phục nhà sáng lập TSMC đầu tư 100 triệu USD cùng đội ngũ 400 người để phát triển hướng đi này.

Mặc dù vậy, 2 năm đầu tiên không diễn ra suôn sẻ khi các khách hàng chê bai công nghệ mới quá đắt đỏ so với sản phẩm cũ.

"Một số giám đốc cấp cao của TSMC thậm chí đã cười nhạo tôi khi nói rằng dự án triệu USD cuối cùng lại chỉ có thể bán 50 bảng mạch mỗi tháng", giám đốc Chiang nhớ lại.

Tuy nhiên giờ đây thì chẳng ai cười nổi ông Chiang nữa khi công nghệ đóng gói chip được đánh giá là trận địa mới nhất trong cuộc đua hiện nay giữa các ông lớn ngành bán dẫn.

Mới đây, lần đầu tiên trong 40 năm qua, hãng Intel đã quyết định tái thiết kế lại công nghệ đóng gói chip bán dẫn cho mảng máy tính cá nhân. Thay vì chỉ có 1 cụm vi xử lý, chip mới này kết hợp 4 cụm chuyên trách tính toán cho AI, đồ họa, truyền tải dữ liệu và bộ xử lý trung tâm.

Tương tự, sản phẩm H100 nổi tiếng của Nvidia được dùng cho ChatGPT cũng áp dụng kiểu thiết kế mới này. Bộ xử lý đồ hòa trung tâm của hãng được kết nối với 6 chip nhớ băng thông cao và công nghệ đóng gói chip tiên tiến do TSMC phát triển.

Riêng trong năm 2021, cả Intel và TSMC đã tích cực mở rộng công nghệ đóng gói chip với tổng cộng hơn 20 tỷ USD đầu tư trong nhiều năm trước đó vào mảng này.

Thậm chí gói hỗ trợ phát triển chip bán dẫn 52 tỷ USD của chính phủ Mỹ cũng bao gồm 3 tỷ USD cho công nghệ đóng gói chip này.

Báo cáo của IDC cho thấy tổng giá trị thị trường công nghệ đóng gói chip bán dẫn sẽ tăng từ 43,7 tỷ USD hiện nay lên 74,3 tỷ USD năm 2028.

Huawei trở lại

Tờ Nikkei cho hay các nhà sản xuất chip Trung Quốc đang phải vật lộn với những khó khăn còn tồi tệ hơn là giới hạn của định luật Moore khi Phương Tây cấm vận công nghệ.

Tuy nhiên do rào cản công nghệ đóng gói chip thấp hơn so với việc nhét nhiều bóng bán dẫn vào một con chip nhỏ hơn nên Trung Quốc lại có nhiều cơ hội ở mảng này.

"Bạn không cần những thiết bị quá hiện đại, phức tạp để phát triển công nghệ đóng gói chip. Ngoài ra, công nghệ này có thể đẩy hiệu suất chip 7nm lên 5nm hoặc thậm chí là 3nm", một giám đốc của Kinsus Interconnect Technology chuyên cung ứng cho Nvidia và AMD thừa nhận.

Chính vì lợi thế này mà Huawei được cho là đã trở lại đầy ngoạn mục với các dòng điện thoại 5G mới của mình trong năm nay bất chấp lệnh cấm vận bán dẫn từ Mỹ.

"Trong tương lai, sự phát triển của công nghệ đóng gói chip có thể tạo nên một cơ hội đi tắt đón đầu cho Trung Quốc", Chủ tịch David Ma của Nova Technology cho hay.

Thật vậy, Nikkei cho hay Trung Quốc đã đổ hàng tỷ USD cho SMIC và Huawei để phát triển công nghệ chip bán dẫn nhằm bắt kịp Intel, TSMC hay Samsung. Thành công của mảng này không chỉ có ý nghĩa về mặt kinh tế mà còn là niềm tự hào dân tộc với chính quyền Bắc Kinh.

Riêng SMIC, vốn đã bị Mỹ đưa vào danh sách đen cấm vận công nghệ, đã đầu tư 24 tỷ USD chi phí tài sản cố định trong khoảng 2020-2023, cao hơn cả tổng doanh thu cùng kỳ của hãng.

Bởi vậy dù bị cấm vận công nghệ nhưng SMIC vẫn sản xuất được những con chip có hiệu năng tương ứng 5nm hoặc thậm chí 3nm từ đội ngũ nghiên cứu dẫn đầu bởi ông Liang Mong Song, cựu chuyên gia của TSMC và Samsung trong mảng này.

Về phía Huawei, tập đoàn này đã sống sót nhờ chi đến gần 580 tỷ Nhân dân tệ, tương đương 80,99 tỷ USD cho mảng nghiên cứu phát triển chỉ trong 4 năm kể từ năm 2019 khi bị đưa vào danh sách đen của Mỹ.

Trước đó, mảng chip bán dẫn của Huawei là HiSilicon thường thuê ngoài sản xuất chip 5nm cho TSMC trước khi bị cấm vận công nghệ kể từ năm 2019-2020.

Sau khi không còn nguồn cung, Huawei đã tự mình đứng dậy bằng việc hợp tác cùng SMIC cho ra mắt dòng điện thoại 5G mới với chip tự chế.

Thậm chí đích thân CEO Jensen Huang của Nvidia cũng đã từng phải thừa nhận đối thủ Huawei là "cực kỳ đáng gờm" khi tự thân phát triển công nghệ AI bằng những con chip tự thiết kế của mình.

"Trung Quốc đang rất tích cực trong công nghệ đóng gói chip bán dẫn. Họ đang theo dõi chặt chẽ các tập đoàn sản xuất chip lớn và sẵn sàng mua những thiết bị ngay cả khi họ chưa thể dùng đến chúng", một giám đốc điều hành của một nhà sản xuất thiết bị cho chế tạo chip tại Nhật Bản thừa nhận với Nikkei.

*Nguồn: Nikkei