Năm 2009, ngành công nghiệp chip trên thế giới bắt đầu nảy sinh nhiều vấn đề. Chiang Shang-yi, khi đó là giám đốc nghiên cứu và phát triển của gã khổng lồ chip TSMC nghĩ rằng ông đã có giải pháp.
Thay vì ép nhiều bóng bán dẫn hơn vào những con chip ngày càng nhỏ hơn, theo cách thông thường để làm cho chúng mạnh hơn, ông đề xuất với sếp của mình, người sáng lập TSMC, Morris Chang, rằng họ nên khai phá một phần kém tiên tiến hơn trong quy trình sản xuất chip, được gọi là đóng gói chip.
“Tôi đã nói với Chủ tịch Chang rằng vì định luật Moore có thể chậm lại trong những năm tới, nên chúng tôi phải thử một thứ khác thì mới có thể tiếp tục cải thiện hiệu suất tính toán của chip”, Chiang nói với Nikkei Asia.
Định luật Moore, do người đồng sáng lập Intel Gordon Moore trình bày lần đầu tiên vào năm 1965, thừa nhận rằng số lượng bóng bán dẫn trên một con chip sẽ tăng gần gấp đôi mỗi năm, khiến các con chip máy tính mạnh hơn theo cấp số nhân theo thời gian. Năm 1975, quy định này được sửa đổi thành hai năm một lần.
Các bóng bán dẫn đầu tiên – thành phần quan trọng kiểm soát dòng điện qua chip – dài một centimet, nhưng đến những năm 1950, chúng được đo bằng milimét. Ngày nay, ngành công nghiệp chip nói về nanomet (nm). Để dễ hình dung, hãy nghĩ tới một sợi DNA của con người có đường kính 2,5 nm. Một con chip hiện nay có hàng tỷ bóng bán dẫn.
Định luật Moore đã định hình sự phát triển của ngành công nghiệp chip trong nhiều thập kỷ, những bước tiến trong quá trình thu nhỏ chip đã thúc đẩy toàn bộ ngành công nghiệp từ PC, điện thoại thông minh đến AI.
Ngay cả những cải tiến hiệu quả cận biên cũng có thể mang lại lợi ích to lớn về độ phức tạp của các tác vụ tính toán. Ví dụ, hầu hết các chuyên gia tin rằng lĩnh vực AI mới vẫn còn mới bắt đầu đòi hỏi sức mạnh tính toán chỉ có thể đạt được khi sử dụng chip 4 nm trở xuống.
Cuộc đua tạo ra những con chip ngày càng nhỏ hơn và nhanh hơn đã chứng kiến một số công ty, chẳng hạn như TSMC, Intel của Mỹ cũng như Samsung của Hàn Quốc, chi hàng tỷ USD mỗi năm để đẩy định luật Moore đến giới hạn.
Khi làm như vậy, họ đã giành được vị trí dẫn đầu rất lớn so với các đối thủ cạnh tranh, tạo ra thứ về cơ bản là một ngành công nghiệp hai tầng, nơi những công ty hàng đầu chạy đua để sản xuất chip 2 nm vào năm 2025. Trong khi đó, số tụt lại phía, như các nhà sản xuất chip Trung Quốc, đã phải vật lộn để tồn tại trong cuộc chơi.
Nhưng liệu có giới hạn về số lượng bóng bán dẫn có thể đã tới gần và bao nhiêu trong số chúng có thể được đóng gói thành một con chip có kích thước bằng móng tay? Trên thực tế, nhiều người trong ngành, từ lâu đã lo sợ về sự kết thúc của định luật Moore.
“Nếu định luật Moore thực sự đạt đến giới hạn, việc này sẽ mang lại tác động rất lớn cho ngành bán dẫn”, Chiang nói với Nikkei Asia.
Ông nói thêm: “20 năm nữa ngành công nghiệp chip cuối cùng có thể trở thành một ngành công nghiệp truyền thống, thay vì ngành công nghệ cao như hiện nay nếu không có giải pháp mới”.
Liệu chip có trở thành hàng hóa hoàn toàn hay không – như ngành công nghiệp thép và nhựa – vẫn là vấn đề tranh luận, nhưng sự chậm lại của định luật Moore đã có những tác động sâu sắc đối với ngành này.
“Sự chậm lại đó có thể sẽ mang lại cơ hội cho những người đang tụt lại phía sau trong cuộc đua chip, chẳng hạn như Trung Quốc, để bắt kịp với các đối thủ”, Chiang nói.
TRÒ CHƠI ĐUỔI BẮT
Đã có những dấu hiệu cho thấy dự đoán của Chang đang trở thành sự thật, và một trong những bằng chứng lớn nhất là khoảng cách ngày càng thu hẹp giữa những người dẫn đầu và những người tụt hậu.
“Thật khó để chạy nhanh hơn người nhanh nhất trong nhóm. Nhưng một khi đối tượng nhanh nhất không thể chạy nhanh hơn nữa… thì những đối tượng khác sẽ bắt kịp”, Dan Hutcheson, một chuyên gia kỳ cựu trong ngành và phó chủ tịch công ty nghiên cứu TechInsights của Canada cho biết. "Trong một cuộc đua chip, người dẫn đầu không thể vấp ngã, dù chỉ một lần".
Theo phân tích của Nikkei Asia, khoảng cách công nghệ giữa Intel và SMIC - nhà sản xuất chip hàng đầu của Trung Quốc, đang được thu hẹp hơn bao giờ hết.
Mặc dù điều này một phần là do quyết tâm của Trung Quốc trong việc nâng cao năng lực chip của mình trong bối cảnh Mỹ hạn chế xuất khẩu, nhưng đó cũng là kết quả của sự chậm lại đáng lo ngại từ lâu trong khả năng đổi mới tiên tiến của những người đi đầu trong ngành.
Tập đoàn Intel của Mỹ từng đi trước đối thủ Trung Quốc ít nhất 4 hoặc 5 năm, tương đương hơn hai thế hệ về mặt sản xuất chip. Bây giờ sự dẫn đầu của họ là khoảng ba năm, tương đương một thế hệ rưỡi.
Với sự giúp đỡ từ khách hàng hàng đầu của mình là Huawei, SMIC đặt mục tiêu đẩy mạnh sản xuất chip vượt ra ngoài công nghệ 7nm hiện tại - công nghệ tiên tiến nhất hiện được một công ty Trung Quốc cung cấp - hướng tới chip 5nm.
TSMC và Samsung hiện đang sản xuất chip 3 nm, trong khi Intel đang ở mốc 5 nm. Cả ba đều đang chạy đua sản xuất chip 2 nm vào năm 2025.
Về mặt kỹ thuật, nanomet đề cập đến 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.
Nhưng có một giới hạn về mức độ nhỏ của một cánh cửa như vậy, và chẳng bao lâu nữa, việc thu nhỏ chúng hơn nữa sẽ là điều không thể. Vì vậy, các công ty đã đưa ra những kiến trúc chip mới và bắt đầu sử dụng những vật liệu mới để thách thức vật lý.
Intel là công ty đầu tiên chuyển bóng bán dẫn của mình sang cấu trúc 3D, được đặt tên là FinFET vào năm 2012, từ cấu trúc hai chiều vẫn được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các chip truyền thống. TSMC và Samsung nhanh chóng làm theo.
Giờ đây, những gã khổng lồ về chip đang để mắt tới một cấu trúc bóng bán dẫn thậm chí còn phức tạp hơn – được gọi là Cổng toàn diện – để tăng thêm sức mạnh tính toán trên cùng một diện tích bề mặt nhỏ bé.
Nhưng những đổi mới như thế này đang trở nên đắt đỏ hơn.
Tổng chi tiêu vốn của TSMC, Intel và Samsung Electronics vào năm 2022 là hơn 97 tỷ USD, cao hơn gấp đôi số tiền mà Liên minh Châu Âu dự định chi để thúc đẩy ngành công nghiệp chip của châu lục này trong thập kỷ tới.
Handel Jones, một chuyên gia kỳ cựu trong ngành và là CEO của công ty tư vấn chip International Business Strategies của Mỹ nói với Nikkei Asia: “Cơ cấu chi phí đang làm mọi thứ chậm lại. Trước đây, TSMC thực hiện công nghệ mới hai năm một lần và hiện tại là ba năm, và có thể lâu hơn trong tương lai”.
Các nhà điều hành và nhà phân tích trong ngành đều đồng ý: Tốc độ chậm lại của định luật Moore đã mang lại cho các công ty tụt hậu như SMIC cơ hội ngàn năm có một để thu hẹp khoảng cách với các công ty dẫn đầu toàn cầu.
Wu Hanming thuộc Học viện Kỹ thuật Trung Quốc, một viện nghiên cứu kỹ thuật hàng đầu cho biết: “Trong thời kỳ hậu định luật Moore, tốc độ tăng trưởng hiệu suất chip đã chậm lại và ngành này đang tìm kiếm các hướng kỹ thuật mới để tăng tốc hơn nữa hiệu suất chip”.
“Đây là cơ hội tốt cho Trung Quốc, vốn đã ở trạng thái bắt kịp trong nhiều năm”.
SÂN CHƠI MỚI
TSMC đã bắt đầu tìm hiểu các giải pháp thay thế cho việc thu nhỏ chip một cách nghiêm túc từ năm 2009, với gợi ý của Chiang rằng đóng gói có thể là một cách thay thế để tăng hiệu suất.
Đóng gói chip (chip packaging) từng được xem gần như là giải pháp muộn màng trong ngành, chỉ đơn thuần là một cách để bảo vệ các mạch tích hợp. Hoạt động này đòi hỏi ít yêu cầu về mặt công nghệ hơn nhiều so với việc chế tạo chip và dường như không mang lại sự cải thiện về hiệu suất tương tự như việc tăng số lượng bóng bán dẫn.
Nhưng Chiang 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 to lớn. Ông đã thuyết phục người sáng lập TSMC vào năm 2009 ủng hộ sáng kiến đóng gói của mình và được cấp ngân sách 100 triệu USD cùng đội ngũ 400 người để thực hiện ý tưởng này.
Nhưng thành công không đến ngay lập tức.
Chiang nhớ lại, trong hai năm đầu tiên, không có khách hàng chip nào sẵn sàng thử công nghệ mới vì quá đắt so với bao bì truyền thống. Ông nói với Nikkei Asia: “Một số giám đốc điều hành của TSMC thậm chí còn cười nhạo tôi, nói rằng dự án triệu USD cuối cùng lại chỉ có thể bán 50 bảng mạch mỗi tháng”.
“Bây giờ thì đã có ít người cười hơn rồi”.
Bao bì chip hiện được coi là chiến trường mới nhất của các nhà sản xuất chip hàng đầu thế giới.
Năm nay, Intel, lần đầu tiên sau 40 năm, đã thiết kế lại kiến trúc của chipset PC hàng đầu của mình để tận dụng các kỹ thuật đóng gói tiên tiến. 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.
Chipset H100 của Nvidia, cỗ máy đứng sau ChatGPT nổi tiếng của OpenAI, là hình ảnh thu nhỏ của xu hướng này. Thiết kế tích hợp của nó kết nối trực tiếp bộ xử lý đồ họa với sáu chip nhớ băng thông cao, với công nghệ đóng gói tiên tiến do TSMC cung cấp.
Vào năm 2021, những gã khổng lồ trong ngành như Intel và TSMC đã bắt tay vào kế hoạch mở rộng đóng gói chip lớn nhất từ trước đến nay, cam kết đầu tư tổng cộng hơn 20 tỷ USD trong nhiều năm vào công nghệ. Ngay cả chính phủ Mỹ cũng bắt đầu chú ý, dành thêm 3 tỷ USD cho việc nghiên cứu đóng gói chip, bên cạnh khoản trợ cấp bán dẫn 52 tỷ USD.
Theo ước tính của cơ quan nghiên cứu IDC, thị trường cho các loại bao bì chip mới dự kiến sẽ tăng lên 74,3 tỷ USD vào năm 2028, tăng từ mức 43,7 tỷ USD trong năm nay.
Thị trường đóng gói chip tiên tiến – bao gồm việc xếp nhiều chip lên các tấm bán dẫn – đang phát triển đặc biệt nhanh chóng.
CƠ HỘI CHO TRUNG QUỐC?
Ở Trung Quốc, các nhà sản xuất chip đã phải vật lộn với sự suy giảm thậm chí còn nghiêm trọng hơn của định luật Moore do ảnh hưởng của các lệnh trừng phạt của Mỹ cắt đứt quyền truy cập của họ vào các máy chip tiên tiến.
Nói chung, vì đóng gói chip ít đòi hỏi công nghệ hơn so với sản xuất nên các rào cản gia nhập và phát triển cũng thấp hơn.
“Bạn không cần thiết bị quá tinh tế, phức tạp để đóng gói tiên tiến và có thể sử dụng các công nghệ đóng gói tiên tiến để đẩy hiệu suất từ 7 nm lên 5 nm hoặc thậm chí 3 nm”, một giám đốc điều hành của Kinsus Interconnect Technology - một nhà cung cấp chất nền chip Nvidia và AMD cho biết. “Vì vậy, theo một cách nào đó, sự chậm lại của định luật Moore là thời điểm tốt để các nhà sản xuất chip Trung Quốc thu hẹp khoảng cách với những người dẫn đầu”.
David Ma, Chủ tịch Nova Technology cho biết sự xuất hiện của bao bì chip là một lợi ích tiềm năng cho Trung Quốc. Ông nói: “Tất nhiên, nếu trong tương lai, việc đóng gói chip tiên tiến trở thành chủ đề chính, điều đó có thể mang đến cho Trung Quốc một cơ hội đi tắt khác”.
