Buzz
Intel gần đây thông báo rằng họ đặt mục tiêu sản xuất một tỷ bóng bán dẫn vào năm 2030 - một thách thức quan trọng trong việc chứng minh tính chính xác của Định luật Moore 2.0. Điều này đặt ra câu hỏi về sức mạnh và tiềm năng của ngành công nghiệp chip trong tương lai.Tuy nhiên, việc làm các bóng bán dẫn ngày càng nhỏ không còn khả thi, và cuộc đua chip còn phải đối mặt với sự cạnh tranh giữa Mỹ và Trung Quốc. Câu hỏi đặt ra là liệu cuộc đua này sẽ diễn ra ra sao trong thời gian sắp tới.Số lượng bóng bán dẫn trên mỗi con chip sẽ tăng gấp đôi sau mỗi năm, sau mỗi 2 năm và...
Định luật Moore, đưa ra bởi Gordon Moore - một trong những người sáng lập Intel - vào năm 1965, dự đoán rằng số lượng bóng bán dẫn trên mỗi con chip sẽ tăng gấp đôi theo từng năm hoặc hai năm, tạo ra sự tiến bộ vượt bậc trong công nghệ máy tính.
Theo đuổi
Nhìn vào biểu đồ, dường như dự đoán của Chiang đã trở thành hiện thực. Một minh chứng rõ ràng là khoảng cách giữa các nhà lãnh đạo và những người tụt lại đã thu hẹp. Trong cuộc đua này, nếu bạn muốn vượt lên, việc cố gắng vượt qua kẻ đi trước sẽ trở nên khó khăn hơn, nhưng nếu người dẫn đầu càng chạy nhanh hơn, thì khả năng bị bắt kịp cũng càng cao. Theo phân tích của Nikkei Asia, khoảng cách công nghệ giữa Intel và Semiconductor Manufacturing International Corp (SMIC) của Trung Quốc đang ngày càng thu hẹp.
Mặc dù một phần là do sự quyết tâm của Trung Quốc trong việc cải thiện sản xuất chip của họ trong bối cảnh hạn chế xuất khẩu từ Hoa Kỳ, nhưng đó cũng là kết quả của sự trì trệ trong đổi mới và phát triển từ lâu của các người dẫn đầu ngành.
Đến năm 2012, Intel đã tiên phong chuyển từ cấu trúc bóng bán dẫn hai chiều sang FinFET, và sau đó TSMC cũng làm theo. Bây giờ, các nhà sản xuất chip đang tập trung vào cấu trúc bóng bán dẫn phức tạp hơn với Gate-all-around để tăng cường hiệu suất tính toán trên diện tích nhỏ hơn.
Dường như những ưu điểm ngay trước mặt của các phương pháp này là việc tạo ra các con chip mạnh mẽ hơn, nhưng 'mặt tối' của chúng là sự tăng giá của các con chip do chi phí sản xuất tăng cao. Ví dụ, tổng chi phí sản xuất của TSMC, Intel và Samsung Electronics vào năm 2022 đã vượt quá 97 tỷ đô la, gấp đôi số tiền mà Liên minh Châu Âu dự kiến chi tiêu để thúc đẩy ngành công nghiệp chip của toàn liên minh trong vòng một thập kỷ.
Handel Jones, CEO của International Business Strategies, lên tiếng rằng 'Cấu trúc chi phí đang làm mọi thứ chậm lại. Trong quá khứ, TSMC triển khai công nghệ mới hai năm một lần và hiện đã tăng lên ba năm, và có thể còn lâu hơn trong tương lai.'
Rõ ràng, dù các hãng dẫn đầu đang triển khai các kỹ thuật và giải pháp mới, nhưng vẫn đang chậm lại, tạo điều kiện cho các công ty Trung Quốc để bắt kịp tiến bộ trong ngành công nghiệp.Một khía cạnh mới: Việc Đóng Gói Chip
Nếu nhìn lại vào năm 2009, các công ty trong ngành công nghiệp đã bắt đầu nhận ra vấn đề của việc tăng số lượng bóng bán dẫn trên cùng một diện tích chip. Một trong những giải pháp mà TSMC đưa ra là đóng gói chip. Chiang Shang-yi nói: 'Thay vì chỉ nhồi thật nhiều bóng bán dẫn vào các con chip nhỏ hơn để làm cho chúng mạnh mẽ hơn, họ đã đi tới một phương pháp 'kém tiên tiến hơn' là đóng gói chip'. Sau khi tấm bán dẫn được gia công để tạo ra các đế chip, chúng được chuyển đến bước kiểm tra để tạo ra một bản đồ xác định chip ngon và chip lỗi. Tiếp theo, dựa vào bản đồ này, các tấm đế sẽ được cắt ra và sau đó chip sẽ được đóng gói theo cách 2D hoặc 3D, trong đó con chip sẽ được xử lý và đóng gói lên một tấm nền bằng các kỹ thuật đặc biệt. TSMC bắt đầu nghiên cứu các phương pháp thay thế cho việc thu nhỏ tiến trình từ năm 2009, và theo đề xuất của Chiang, đóng gói được xem xét là một cách để tăng hiệu suất. Trước đó, việc đóng gói chỉ được coi là một phần nhỏ của quá trình sản xuất chip, thường chỉ để bảo vệ các mạch tích hợp. Tuy nhiên, Chiang nhận ra rằng kết nối các loại chip khác nhau, như bộ nhớ và bộ xử lý, bằng các cách mới có thể mang lại nhiều cải tiến hơn. Ông đã thuyết phục Morris Chang, người sáng lập TSMC, ủng hộ ý tưởng và cuối cùng đã được cấp ngân sách 100 triệu đô la cùng với một đội ngũ 400 người để thực hiện. Tuy nhiên Shang-yi nhận ra rằng việc kết nối các loại chip khác nhau, chẳng hạn như bộ nhớ và bộ xử lý, theo những cách mới có thể mang lại những cải tiến lớn. Lúc đó ông đã thuyết phục người sáng lập TSMC Morris Chang ủng hộ cho sáng kiến đóng gói của mình và cuối cùng đã được cấp ngân sách 100 triệu đô cùng đội ngũ 400 người để thực hiện. Tuy nhiên, không phải lúc nào cũng dễ dàng như vậy! Trong hai năm đầu tiên, không có khách hàng chip nào sẵn lòng thử nghiệm công nghệ mới vì giá thành của nó quá cao so với phương pháp đóng gói truyền thống. Một số giám đốc điều hành của TSMC thậm chí còn cười nhạo tôi, nói rằng ý tưởng của tôi chỉ đủ để sản xuất 50 miếng wafer mỗi tháng. Tuy nhiên, cuối cùng, phương pháp này đã được công nhận!
Đóng gói chip hiện được coi là cuộc đua mới nhất của các nhà sản xuất chip hàng đầu thế giới.
Năm 2021, các đại gia như Intel và TSMC đã hợp sức mở rộng công nghệ đóng gói chip một cách vô tiền khoáng hậu, với các cam kết đầu tư tổng cộng hơn 20 tỷ đô la vào lĩnh vực này. Thậm chí chính phủ Mỹ cũng đã chi thêm 3 tỷ đô la vào nghiên cứu về đóng gói chip cùng với việc trợ cấp 52 tỷ đô la cho ngành bán dẫn trong cuộc chiến thương mại Mỹ-Trung.
Theo dự đoán của IDC, thị trường cho các công nghệ đóng gói chip mới sẽ đạt 74,3 tỷ đô la vào năm 2028, tăng từ 43,7 tỷ đô la vào năm 2023.
Vào năm 2023, sau 40 năm, Intel đã tái thiết kế kiến trúc chipset PC hàng đầu của mình để tận dụng các kỹ thuật đóng gói tiên tiến. Bốn 'tiles' - CPU, AI, đồ họa và giao thức truyền dữ liệu - đã được kết hợp thành một chip, và được giới thiệu dưới tên Intel Core Ultra.
Chipset H100 của Nvidia, một thành công rực rỡ đứng sau ChatGPT của OpenAI, đã gây sốt trong năm vừa qua, là minh chứng cho xu hướng mới này. Chip này tích hợp bộ xử lý đồ họa và sáu chip bộ nhớ băng thông cao, được kết nối trực tiếp bằng công nghệ đóng gói tiên tiến từ TSMC. Trong tháng 12, AMD cũng ra mắt một giải pháp tương tự, đồng thời sử dụng công nghệ đóng gói đột phá.
Trong hai năm gần đây, công nghệ đóng gói chip tiên tiến đã phát triển với tốc độ chóng mặt. Từ ý tưởng ban đầu của Shang-yi, ngày nay ngành công nghiệp đang tập trung vào việc xếp chồng nhiều loại chip như CPU, GPU, NPU, bộ nhớ,... với kỹ thuật kết nối 3D, 2D,... để tạo ra các chip cuối cùng với kích thước ngày càng nhỏ từ 5nm, 7nm, 3nm,...Tầm nhìn cho Trung Quốc: Cơ hội trong thế giới mới?
Nhớ lại lần ra mắt Huawei P60 Series, có tin đồn về con chip bí ẩn ẩn bên trong, có khả năng xuống tới 5nm hoặc thậm chí 3nm? Điều đó chỉ là trò đùa.
Ở Trung Quốc, các nhà sản xuất chip đang gặp khó khăn với sự tụt hậu lớn hơn so với đối tác quốc tế do lệnh trừng phạt của Mỹ. Tuy nhiên, thời điểm này có thể là cơ hội để họ thu hẹp khoảng cách với những đối thủ.
Kinsus Interconnect Technology cho biết, sự chậm lại của định luật Moore cũng là cơ hội để các nhà sản xuất chip Trung Quốc tận dụng công nghệ đóng gói tiên tiến để cải thiện hiệu suất chip của họ, thu hẹp khoảng cách với các đối thủ.Bước Nhảy Vượt Bậc?
Trung Quốc đã bỏ ra hàng tỷ đô la để đầu tư vào các công ty như SMIC và Huawei, với hy vọng làm cho ngành công nghiệp chip của họ ngang tầm với Intel, TSMC và Samsung. Đối với họ, thành công trong lĩnh vực này không chỉ là vấn đề kinh tế mà còn là niềm tự hào dân tộc. SMIC, mặc dù bị Mỹ đưa vào danh sách đen, nhưng vẫn đang mở rộng quy mô mạnh mẽ. Họ dự kiến đầu tư khoảng 24 tỷ đô la vào việc phát triển công nghệ từ năm 2020 đến năm 2023.
Dù gặp nhiều khó khăn trong việc tiếp cận các thiết bị tiên tiến, SMIC vẫn quyết tâm sản xuất chip 5nm và thậm chí là 3nm dưới sự lãnh đạo của CEO Liang Mong-Song, một chuyên gia sản xuất chip từng làm việc tại TSMC và Samsung. Trong khi đó, Huawei đã dành gần 580 tỷ nhân dân tệ cho nghiên cứu và phát triển, và HiSilicon, đơn vị thiết kế chip của họ, đã hợp tác với TSMC để sản xuất chip 5nm.
Brady Wang, một nhà phân tích công nghệ của Counterpoint Research, nhận định Huawei có khả năng thiết kế chip tiên tiến và góp phần vào tiến bộ công nghệ chip của Trung Quốc.
Mặc dù gặp khó khăn trong việc tiếp cận công nghệ sản xuất tiên tiến, Huawei vẫn đã đạt được thành công trong việc sản xuất điện thoại 5G thông qua hợp tác với SMIC.
Không chỉ dừng lại ở lĩnh vực chip, sự phát triển của Huawei trong lĩnh vực này cũng đang tạo ra tiềm năng đối đầu với Nvidia trong thị trường trí tuệ nhân tạo.
Đóng gói chip đóng vai trò quan trọng trong việc tiến bộ của công nghệ chip Trung Quốc, và chính sách quốc gia đã định hướng cho sự phát triển này.
Qiu Gang, một quan chức cấp cao tại Bộ Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, tin rằng sự đổi mới trong đóng gói chip của Trung Quốc sẽ dẫn đầu trong môi trường cạnh tranh quốc tế.
Dựa vào kế hoạch phát triển AI và công nghệ chip, Huawei được dự đoán sẽ là khách hàng hàng đầu trong lĩnh vực đóng gói chip tiên tiến tại Trung Quốc.
Eric Xu, một trong những chủ tịch luân phiên của Huawei, tin rằng ngành công nghiệp bán dẫn Trung Quốc sẽ tìm cách tự cứu mình và phát triển sự tự lực.
Nỗ lực đó được thể hiện thông qua việc xây dựng nhà máy đóng gói chip SJ Semiconductor tại Giang Tô, với Huawei là một trong những khách hàng quan trọng nhất.
Quliang Electronics, một công ty lắp ráp chip hàng đầu tại Tuyền Châu, Phúc Kiến, dự kiến mở rộng công suất ít nhất gấp bốn lần trong vòng ba năm để đáp ứng nhu cầu của Huawei.
Trung Quốc đang tích cực thành lập nhiều công ty đóng gói chip khác nhau và cố gắng mua các máy móc kỹ thuật số ngay cả khi chưa có công nghệ đóng gói tương ứng.
Nhìn vào sự phát triển hiện nay, chúng ta không thể không nhớ đến Đại nhảy vọt, khi Trung Quốc từ một nền kinh tế nông nghiệp lạc hậu nhanh chóng chuyển đổi sang xã hội công nghiệp hóa.Và câu hỏi vẫn còn đó: Bao nhiêu năm nữa cho một lần định luật Moore?
Chưa ai có thể dự đoán liệu có giải pháp đột phá nào sắp tới có thể duy trì định luật Moore, và không ai biết đâu là giới hạn cuối cùng của nó.
Tại một sự kiện diễn ra vào tháng 9 năm trước, chủ tịch TSMC Mark Liu đã nói: 'Trong suốt 50 năm qua, sự phát triển công nghệ bán dẫn đã như đi bộ trong một con đường hầm. Nhưng bây giờ, chúng ta đang đến lối ra của con đường này. Công nghệ bán dẫn trở nên khó phát triển hơn, nhưng chúng ta không còn bị giới hạn bởi con đường hầm nữa.'
Hiện tại, không ai dám từ bỏ định luật Moore hoàn toàn.
CEO của Intel, Pat Gelsinger, đã cam kết sẽ 'làm mọi cách' để duy trì định luật Moore, trong khi công ty đang nỗ lực để tái giành lại vị trí dẫn đầu trong sản xuất chất bán dẫn bằng cách tung ra năm thế hệ mới trong vòng bốn năm tới. 'Chúng tôi sẽ tận dụng các phương pháp đổi mới mới mẻ - từ kiến trúc bán dẫn đến cách đóng gói và phân phối sản phẩm,' ông nói.
Bên cạnh việc dự kiến ra mắt chip 2nm trong hai năm tới, các nhà sản xuất hàng đầu cũng đang phát triển chip 1,4nm và đặt mục tiêu đạt chip 1nm vào năm 2032.
Để làm điều đó, người ta cần phải tìm ra một cấu trúc bán dẫn mới. Gần đây, một nghiên cứu công bố bởi các nhà nghiên cứu của Intel ở Bỉ đã đạt được đột phá quan trọng trong việc xếp các bóng bán dẫn theo chiều dọc để đạt được tiến trình 1nm.
Ở góc độ của nhà cung cấp thiết bị quang khắc tiên tiến nhất thế giới, ASML, họ nói rằng 'Định luật Moore đã từng bị tuyên bố chết nhiều lần, nhưng nó vẫn còn đây.'
Tuy nhiên, tham vọng phải được đo lường dựa trên chi phí. Khoản đầu tư ban đầu để phát triển chip 2nm, phù hợp cho tính toán trí tuệ nhân tạo, sẽ lên đến gần 30 tỷ đô la. Để so sánh, con số này lớn gấp 10 lần chi phí sản xuất các con chip xử lý cao cấp hiện nay trên các thiết bị điện tử tiêu dùng. Một minh chứng cho việc chi phí sản xuất đã tăng vọt. Hiện nay, chi phí sản xuất bộ xử lý iPhone đã tăng gấp mười lần trong thập kỷ qua. Người ta không còn tính chi phí của một con vi xử lý 28nm dựa trên số lượng bóng bán dẫn như trước đây nữa.
Cuối cùng, liệu ngành công nghiệp chip sẽ đạt tới điểm giới hạn như các ngành công nghiệp khác đã từng trải qua, như thép, nhựa hay gần đây là màn hình? Câu hỏi này khiến tôi bắt đầu suy nghĩ. Đường đi đến tận cùng của công nghệ thu nhỏ tiến trình vẫn còn nhiều biến động và ảnh hưởng tới cả địa chính trị toàn cầu.
Gần đây, tôi đã bắt đầu nghĩ nhiều hơn về con đường phía trước, đặc biệt là khi Intel đề cập đến các die chip thủy tinh giúp họ xuống tiến trình thấp hơn. Liệu đó có phải là một cách vắt kiệt bảng tuần hoàn? Sẽ còn những điều gì đang chờ đợi chúng ta? Cùng nhau chờ đợi và hóng chúng ta vào năm 2024 sắp tới nhé.
