Buzz
Bên trong các mảng silic vô hình, những mảnh ghép siêu nhỏ giấu trong đĩa wafer, có lúc chúng được trang bị hơn 50 tỷ transistor tí hon, nhỏ hơn cả sợi tóc con người 10.000 lần. Công việc tạo ra những mảnh silic siêu nhỏ như vậy đòi hỏi những căn cứ siêu lớn, với chiều dài có thể bằng 4 sân bóng đá và chồng lên 7 tầng để tạo điều kiện làm việc lý tưởng. Trong những nhà máy này, không khí cần được duy trì ở mức hoàn hảo nhất để đảm bảo chất lượng sản phẩm, vì chỉ cần một hạt bụi siêu nhỏ cũng có thể làm hỏng quá trình sản xuất, khiến cả con chip trở nên vô dụng.
Nền kinh tế hiện đại ngày nay phụ thuộc quá nhiều vào chip bán dẫn, từ máy tính, điện thoại, ô tô cho đến thiết bị gia dụng. Sự tăng cường nhu cầu về chip này đặc biệt rõ rệt sau đại dịch COVID-19, dẫn đến tình trạng khan hiếm và giá cả tăng cao trên toàn cầu. Mỹ hiện nhận ra họ quá phụ thuộc vào các nhà sản xuất chip nước ngoài. Hơn 90% lượng chip xử lý hiện nay được sản xuất tại Đài Loan, trong khi tỷ lệ này của Mỹ chỉ là 12%. Điều này thúc đẩy Intel đầu tư 20 tỷ USD để xây dựng và nâng cấp các nhà máy sản xuất chip của họ tại Mỹ và châu Âu, với kế hoạch mở rộng tại nhiều địa điểm.Làm thế nào để tạo ra một con chip?
Khi cải tiến quy trình sản xuất, các nhà sản xuất chip luôn nỗ lực để tăng số lượng transistor trên mỗi vi mạch chip. Điều này là cần thiết để máy tính hoặc điện thoại mới ra mắt vào năm sau có hiệu suất cao hơn phiên bản năm trước. Đây cũng là lý do tại sao chi phí xây dựng một nhà máy sản xuất chip bán dẫn có thể lên đến hàng tỷ USD, không phải công ty nào cũng có khả năng tài chính để thực hiện điều này.
Mỗi hộp được đưa đi trên băng chuyền tự động trên trần nhà, chứa những đĩa wafer silicon nguyên chất, sẵn sàng được in thạch bản thành chip bán dẫn
Không chỉ có nhà máy, máy móc và nhân công, mà Intel hay TSMC còn cần đầu tư mạnh vào việc nghiên cứu các 'tiến trình', đó là những bước phức tạp và tốn kém để chuyển đổi những tấm wafer silicon nguyên chất thành các vi mạch transistor nhỏ, với khoảng cách giữa các transistor ngày càng thu gọn.
Các hệ thống soi chiếu với kích thước khổng lồ có thể xem bản vẽ thiết kế của một con chip trên một tấm wafer, sau đó sử dụng đèn laser cường độ cao để khắc và loại bỏ từng lớp của wafer, tạo ra các transistor và kết nối chúng lại với nhau. Tại Arizona, dây chuyền của Intel có thể xử lý đồng thời 25 tấm wafer trong quá trình sản xuất.
Chuyển đổi từ wafer silicon sang từng con chip có thể mất đến 2 tháng. Gần đây, TSMC đã trở thành nhà sản xuất chip hàng đầu với những nhà máy 'gigafab' lớn, hoạt động đồng thời trên 4 dây chuyền, có quy mô gần giống như của Intel. Mỗi tháng, một gigafab của TSMC có thể tạo ra 100.000 tấm wafer, trong khi mỗi dây chuyền tại hai nhà máy mà Intel đang xây dựng tại Arizona có thể sản xuất 40.000 tấm wafer mỗi tháng.
Quá trình đóng gói wafer như thế nào?
Sau khi wafer được hoàn thành, tấm đĩa silicon sẽ được cắt ra để tạo thành những viên chip riêng biệt. Những viên chip này sau đó sẽ được kiểm tra để đảm bảo chúng hoạt động đúng như mong đợi. Quá trình này gọi là chip binning. Những viên chip chất lượng cao sẽ được đóng gói vào bao bì nhựa để vận chuyển tới các nhà sản xuất thiết bị điện tử khác nhau. Chúng có thể được gắn vào bo mạch để tạo ra các sản phẩm như máy tính hoặc điện thoại.
Trước khi được đóng gói thành sản phẩm cuối cùng, mỗi viên chip sẽ được bảo quản trong túi nhựa
Xem thêm:
Với sự phát triển của công nghệ chip xếp chồng 3D hoặc đặt cạnh nhau dưới dạng chiplet, các giải pháp xếp lớp chip bán dẫn đang trở thành một giải pháp cạnh tranh mới của các hãng.
Quy trình sản xuất chip ở các nhà máy khác nhau như thế nào?
Một wafer có thể tạo ra từ vài chục đến vài trăm chip bán dẫn tùy thuộc vào kích thước của mỗi viên chip, và giá bán của một CPU thương mại của Intel dao động từ vài chục đến vài nghìn USD, tùy thuộc vào loại sản phẩm như Pentium hoặc Xeon Platinum. Một hạt bụi nhỏ có thể khiến một viên chip hoặc cả tấm wafer trở nên không sử dụng được. Do đó, phòng sản xuất ở các nhà máy gia công chip bán dẫn thường được duy trì sạch hơn cả một phòng phẫu thuật trong bệnh viện, với các hệ thống lọc không khí và kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm cực kỳ phức tạp.
Hệ thống đường ống xả khí thải được tạo ra trong quá trình sản xuất chip.
Công nhân lắp đặt hệ thống đường ray vận chuyển hàng tự động bên trong phòng gia công chip.
Một yếu tố ít được nhắc đến là rung động địa chất. Với transistor có kích thước rất nhỏ, thậm chí một rung động nhỏ trên bề mặt đất cũng có thể gây ra sự cố trong quá trình hoạt động của máy móc. Các fab gia công chip bán dẫn thường được xây dựng trên nền bê tông dày, với hệ thống tiêu giảm rung động phức tạp ở phía dưới.
Một yếu tố không thể thiếu khác là lượng chất lỏng và khí khổng lồ cần thiết hoặc được tạo ra trong quá trình sản xuất wafer chip bán dẫn. Tại tầng thượng của nhà máy Intel, các cánh quạt lớn được sử dụng để điều hòa không khí trong những phòng sạch chế tác chip. Ở dưới cùng, hàng nghìn máy bơm, máy biến áp, tủ điện, đường ống và ống dẫn làm lạnh phục vụ cho các hệ thống máy móc lớn đang xử lý wafer silicon.
Quy trình sản xuất chip đòi hỏi lượng nước sạch lớn, rất lớn
Gia công chip bán dẫn đòi hỏi một lượng nước sạch đáng kể, được sử dụng trong các bước làm sạch bề mặt của wafer silicon ở nhiều giai đoạn khác nhau. Mỗi ngày, hai nhà máy của Intel tại Chandler, Arizona, tiêu thụ khoảng... 41 triệu lít nước (11 triệu gallon) từ nguồn nước của bang. Các nhà máy mới của Intel sắp xây dựng sẽ cần nhiều hơn thế, tạo ra một áp lực lớn đối với một bang thường xuyên phải đối mặt với tình trạng hạn hán như Arizona. Trước đó, chính phủ bang đã phải cắt giảm nguồn cung nước sạch cho các nông dân ở đây.
Nhà máy xử lý nước Hillsboro, được Intel xây dựng và vận hành
Tuy nhiên, may mắn là, hệ thống xử lý nước tại nhà máy Chandler của Intel có thể lọc lại khoảng 82% tổng lượng nước mà họ sử dụng hàng ngày để sản xuất chip. Hệ thống lọc nước này được Intel tự chi trả và vận hành, để cung cấp nước cho việc tưới tiêu nông nghiệp hoặc các nhu cầu không liên quan đến uống nước của cộng đồng, như vệ sinh hoặc giặt giũ chẳng hạn.
Intel đặt kỳ vọng vào năm 2030 rằng họ sẽ hỗ trợ Arizona và các bang khác trong việc xây dựng các nhà máy sản xuất chip để tăng lượng nước sạch, thông qua việc hợp tác với các nhóm môi trường và các dự án bảo vệ nguồn nước sạch cho cộng đồng dân cư.
Quá trình xây dựng một fab gia công chip như thế nào?
Nếu như hình ảnh trên là từ nhà máy gia công chip của Intel tại Chandler, Arizona, thì tại Hillsboro, Oregon, tập đoàn lớn của Mỹ đang xây dựng một nhà máy mới, đòi hỏi sự tham gia của khoảng 5.000 công nhân có kỹ năng và mất 3 năm để hoàn thành.
Chỉ riêng việc khai thác đất để làm nền móng cho nhà máy, đội ngũ xây dựng đã phải xử lý một lượng đất khổng lồ với thể tích gần 700 nghìn mét khối. Sau đó, họ sử dụng khoảng 100 nghìn tấn thép và khoảng 340 nghìn mét khối bê tông để xây dựng nhà máy. Lượng vật liệu này còn nhiều hơn cả những gì cần để xây dựng tòa nhà cao nhất thế giới hiện nay, tòa Burj Khalifa ở Dubai, UAE.
Chính CEO của Intel, Pat Gelsinger, hiện đang thúc đẩy các cơ quan lập pháp Mỹ cung cấp hỗ trợ tài chính để xây dựng các nhà máy sản xuất chip mới, nhằm mục đích giảm sự phụ thuộc vào chip bán dẫn Đài Loan. Để đảm bảo rằng các khoản đầu tư lớn của Intel không bị lãng phí, ông Gelsinger cam kết rằng các fab gia công chip có thể được trang bị với các thiết bị thế hệ mới để đáp ứng với sự thay đổi của thị trường.
Để đối phó với tình trạng khan hiếm chip bán dẫn, Intel nói chung và CEO Gelsinger nói riêng cần có kế hoạch cụ thể, bao gồm cả việc chế tạo chip bán dẫn cho các công ty khác. Tuy nhiên, chỉ có Intel một mình không đủ. Để tạo ra một laptop hoặc điện thoại thông minh, cần sự hợp tác của nhiều đối tác trong chuỗi cung ứng và cần sự kết hợp của cả chip sản xuất trên các tiến trình sản xuất mới và cũ.
Một điều quan trọng cần nhấn mạnh là ngành công nghiệp chip bán dẫn không phải là một ngành mà một quốc gia đơn lẻ có thể tự cung ứng đầy đủ. Tự chủ trong việc cung cấp chip bán dẫn là quan trọng, nhưng để đạt được điều đó, cả Intel và các công ty chip khác luôn phải dựa vào một mạng lưới toàn cầu của các doanh nghiệp để cung cấp nguyên liệu, thiết bị sản xuất, phần mềm thiết kế, nhân lực và quy trình sản xuất đặc biệt…
Theo The New York Times
