Buzz
Ít ai biết rằng tương lai của trí tuệ nhân tạo lại có thể gắn liền với Eindhoven – một thị trấn thanh bình ở Hà Lan. Tuy nhiên, ngay bên ngoài thị trấn này, ASML, công ty duy nhất trên thế giới chế tạo máy in thạch bản (lithography tool), thiết bị không thể thiếu trong quá trình sản xuất chip, lại đang hoạt động.
Cỗ máy mới nhất của ASML nặng đến 150 tấn – tương đương với hai container vận chuyển – và có giá khoảng 350 triệu USD (hơn 550 triệu AUD). Đây là thiết bị tiên tiến nhất hiện nay mà con người đã tạo ra trong ngành công nghệ này.
Chính nhờ khả năng công nghệ vượt trội, ASML đã trở thành trung tâm của cuộc đua công nghệ toàn cầu. Để ngăn Trung Quốc sản xuất chip AI hiện đại, Mỹ đã áp đặt lệnh cấm bán các thiết bị tối tân nhất của ASML cho các hãng sản xuất chip tại Trung Quốc. Đáp lại, Trung Quốc đã đổ hàng tỷ USD vào các nỗ lực phát triển công nghệ thay thế nội địa.
Trong khi đó, Canon, đối thủ từ Nhật Bản, đang tìm cách phá vỡ thế độc quyền của ASML bằng một công nghệ đơn giản và rẻ hơn. Tuy nhiên, trong khi phần mềm có thể thay đổi nhanh chóng, thế giới máy in thạch bản lại chứng kiến cuộc đua công nghệ diễn ra trong hàng thập kỷ. Việc vượt qua ASML sẽ không dễ dàng. Bởi lẽ, đối tượng đang được tranh giành không chỉ là thị phần mà còn là quyền kiểm soát một công nghệ sẽ định hình tương lai của máy tính, AI và công nghệ nói chung.
Cỗ máy “nóng hơn cả mặt trời” tạo ra chip cho tương lai
Cỗ máy tiên tiến của ASML thực sự làm người ta phải trầm trồ. Nó hoạt động bằng cách phóng 50.000 giọt thiếc nóng chảy vào một buồng chân không. Mỗi giọt thiếc sẽ nhận hai lần bắn laser – lần đầu bằng tia yếu để dẹt giọt thiếc như chiếc bánh, lần thứ hai bằng tia cực mạnh để làm bay hơi hoàn toàn. Kết quả là giọt thiếc biến thành plasma siêu nóng, lên đến 220.000 độ C, gấp 40 lần nhiệt độ bề mặt Mặt Trời, và phát ra ánh sáng cực tím với bước sóng siêu ngắn (EUV).
Ánh sáng này được phản chiếu qua một chuỗi gương siêu mịn, với độ nhẵn được đo lường tới mức phần nghìn tỷ mét. Những chiếc gương này sẽ tập trung ánh sáng lên một tấm mặt nạ chứa bản thiết kế mạch điện, sau đó tiếp tục phản chiếu lên tấm silicon phủ chất nhạy sáng, khắc lên đó những họa tiết của con chip.
Các thiết bị của ASML là nền tảng cho ngành sản xuất chip hiện đại. Những tên tuổi lớn như TSMC, Samsung hay Intel đều phụ thuộc vào chúng để chế tạo chip AI và chip điện thoại cao cấp. Không một công ty nào khác có thể chế tạo máy in chip đạt chuẩn "7 nanomet" trở xuống (mặc dù thuật ngữ này giờ chủ yếu mang tính tiếp thị hơn là kỹ thuật). Với công nghệ cũ hơn – 14nm trở lên – ASML vẫn chiếm hơn 90% thị phần.
Một con chip có thể được ví như một chiếc lasagne điện tử – với lớp transistor ở dưới, bao phủ là nhiều lớp dây đồng truyền tải dữ liệu và điện năng. Một con chip hiện đại có thể chứa hơn 100 tỷ transistor, hơn 70 lớp và tới 100 km dây dẫn, tất cả đều nằm gọn trên một tấm silicon nhỏ hơn một con tem. Để chế tạo ra nó, máy in thạch bản sẽ khắc lần lượt từng lớp transistor và dây dẫn lên tấm wafer. Mỗi tấm wafer có thể chứa hàng trăm con chip.
Cuộc đua công nghệ đang trở nên căng thẳng: Mỹ, Trung Quốc và những lựa chọn thay thế
Nguyên lý hoạt động của máy in chip cơ bản giống như máy chiếu phim cũ: chiếu ánh sáng qua một tấm khuôn để tạo hình ảnh. Độ phân giải tối thiểu mà máy in có thể đạt được phụ thuộc vào hai yếu tố chính. Thứ nhất là bước sóng ánh sáng. Bước sóng càng ngắn, chi tiết in ra càng nhỏ. Trước đây, ASML sử dụng ánh sáng cực tím sâu (DUV), với bước sóng từ 248nm đến 193nm, để tạo ra chi tiết nhỏ cỡ 38nm.
Để đạt được bước tiến xa hơn, ASML đã chuyển sang sử dụng ánh sáng EUV với bước sóng 1nm – một bước sóng vốn chỉ xuất hiện tự nhiên trong vành nhật hoa của Mặt Trời. Việc sản xuất ánh sáng EUV trên Trái Đất rất phức tạp. Ánh sáng này bị hấp thụ hoàn toàn bởi không khí, kính và hầu hết vật liệu khác, vì vậy toàn bộ quá trình phải diễn ra trong môi trường chân không và sử dụng gương đặc biệt để điều hướng. ASML đã phải mất tới 20 năm để phát triển phương pháp bắn laser vào thiếc nóng chảy để tạo ra luồng sáng hiếm này.
Yếu tố thứ hai là khẩu độ số (NA) của hệ thống gương – chỉ số đo lường khả năng thu nhận và hội tụ ánh sáng. Hệ thống mới nhất của ASML – EUV với khẩu độ cao – sử dụng gương có khẩu độ 0.55, cho phép in chi tiết nhỏ đến 8nm. Công ty còn đang nghiên cứu công nghệ “siêu khẩu độ” (hyper-NA), với khẩu độ vượt quá 0.75. Khẩu độ cao giúp gương thu ánh sáng từ nhiều góc độ hơn, tăng độ chính xác, nhưng cũng khiến máy trở nên cồng kềnh hơn. Khi khẩu độ tăng từ 0.33 lên 0.55, gương đã lớn gấp đôi và nặng gấp 10 lần – lên tới vài trăm kg. Nếu tiếp tục nâng khẩu độ, vấn đề tiêu thụ năng lượng sẽ trở thành một thách thức nghiêm trọng.
Chi phí cũng là một rào cản lớn. Mặc dù không công bố con số cụ thể, ASML cho biết hệ thống EUV mới có giá gần như gấp đôi so với dòng máy trước. Nếu họ tạo ra được máy siêu khẩu độ, giá sẽ còn cao hơn nữa. Dù công ty chưa chắc chắn sẽ sản xuất, nhưng trưởng bộ phận công nghệ Jos Benschop tin rằng máy hyper-NA có thể sẽ xuất hiện trong vòng 5–10 năm tới, tùy vào nhu cầu thị trường.
Một số nhà nghiên cứu đã bắt đầu tính đến bước tiếp theo – ánh sáng với bước sóng 6nm. Để làm được điều này, họ cần có đột phá trong cả ba lĩnh vực: nguồn sáng, quang học và vật liệu nhạy sáng (photoresist). Tuy nhiên, khi bước sóng càng ngắn, hiện tượng "nhiễu hạt" lại càng trở nên rõ ràng – các chuyển động ngẫu nhiên của hạt có thể làm mờ chi tiết. Dù vậy, Yasin Ekinci từ Viện nghiên cứu Paul Scherrer (Thụy Sĩ) vẫn xem đây là “kế hoạch B” trong trường hợp hyper-NA không thành công.
Trong khi ASML dẫn đầu về công nghệ quang học, Trung Quốc – bị ngừng cung cấp các thiết bị tối tân – đang tận dụng tối đa những dòng máy DUV cũ (28nm trở lên) mà họ còn có thể mua được. Một chiến thuật họ áp dụng là in nhiều lần (multi-patterning): chia nhỏ thiết kế thành nhiều bước, giúp in chi tiết nhỏ hơn từ 2 đến 4 lần. Dù kỹ thuật này hiệu quả, nhưng lại làm chậm quá trình và gia tăng độ phức tạp.
Trung Quốc cũng đang phát triển máy in chip của riêng mình. Công ty nhà nước SMEE đã có những bước tiến đáng kể với máy DUV cho chip 28nm. Tuy nhiên, để có thể chế tạo máy EUV, họ không chỉ cần làm chủ công nghệ ánh sáng EUV mà còn phải xây dựng một chuỗi cung ứng khổng lồ với hơn 5.000 nhà cung cấp mà ASML hiện đang sở hữu.
Vị thế thống trị của ASML trong lĩnh vực in chip cao cấp vẫn đang vững vàng. Tuy nhiên, Canon – công ty từng dẫn đầu ngành – đang theo đuổi một phương thức khác: in nổi nano (nanoimprint lithography – NIL), một công nghệ khắc mạch bằng cách dập trực tiếp khuôn lên wafer giống như một chiếc máy in.
Quy trình NIL bắt đầu bằng việc tạo một khuôn chủ bằng chùm tia điện tử. Sau đó, dung dịch nhựa được nhỏ lên tấm wafer, khuôn được ép xuống để in mạch, rồi sử dụng tia cực tím để làm cứng lớp nhựa. Cuối cùng, khuôn được gỡ ra và quy trình này sẽ lặp lại cho mỗi lớp chip. Canon ước tính công nghệ của họ rẻ hơn 40% so với máy EUV tương đương của ASML.
Tuy nhiên, để NIL trở thành công nghệ chủ đạo, nhiều thách thức vẫn phải vượt qua. Các lỗi in, do bụi hay khuyết tật của khuôn, có thể lặp lại trên toàn bộ wafer. Công tác căn chỉnh cũng rất phức tạp, vì mỗi lớp mạch phải hoàn toàn khớp với lớp trước. Chỉ cần lệch một chút là có thể dẫn đến lỗi kết nối điện. Canon tuyên bố đạt độ chính xác ở cấp độ nanomet, nhưng việc duy trì điều này khi sản xuất đại trà là một thách thức. Ngoài ra, vấn đề năng suất cũng đáng lo ngại: máy EUV cao cấp của ASML có thể xử lý hơn 180 wafer mỗi giờ, và một số mẫu cũ có thể đạt gần gấp đôi con số này. Còn máy NIL mới nhất của Canon chỉ có thể xử lý 110 wafer mỗi giờ, chưa đủ đáp ứng nhu cầu sản xuất số lượng lớn – ít nhất là ở thời điểm hiện tại.
Hiện tại, NIL được ứng dụng hiệu quả hơn trong các lĩnh vực như màn hình điện thoại và các linh kiện có độ chính xác cao. Công nghệ này cũng đang bắt đầu xâm nhập vào ngành sản xuất chip nhớ, nơi mà sự chấp nhận lỗi cao hơn so với chip logic. Ông Iwamoto Kazunori – trưởng bộ phận quang học của Canon – cho rằng NIL có thể cùng tồn tại song song với EUV, thực hiện những bước đơn giản với chi phí thấp, đồng thời tránh các phần yêu cầu độ chính xác cực kỳ cao.
Những cải tiến như vậy có thể giúp ngành chế tạo chip tiến nhanh hơn, tiết kiệm năng lượng hơn – đáp ứng nhu cầu cho thế hệ AI mới. Tuy nhiên, nếu không cẩn trọng, ASML có thể đánh mất danh hiệu là “cỗ máy quan trọng nhất thế giới”.
Anh Việt
