Đầu tư hàng chục tỷ USD cũng sẽ lỗi thời sau 5 năm, 1 hạt bụi làm "bay màu" cả triệu USD – căn nguyên khiến cả thế giới lao đao trong cơn khủng hoảng chip

Việc thiếu các vật liệu bán dẫn đang đe doạ ngành công nghiệp ô tô cũng như các ông lớn công nghệ, dóng lên hồi chuông cảnh báo từ Washington, Brussels cho đến Bắc Kinh. Tình trạng này làm dấy lên một câu hỏi lớn cho các nhà làm chính sách, khách hàng và nhà đầu tư: tại sao chúng ta không sản xuất nhiều chip hơn?

Có một câu trả lời đơn giản và một câu trả lời phức tạp. Một cách đơn giản thì sản xuất chip cực kỳ khó, và đang ngày càng trở nên khó hơn. "Nó không phải là khoa học tên lửa, nó còn khó hơn nhiều" là câu nói vẫn thường tồn tại trong ngành này.

Bên trong nhà máy sản xuất chip của GlobalFoundries tại Mỹ.

Câu trả lời phức tạp sẽ là phải tốn nhiều năm để xây dựng một nhà máy bán dẫn và nhiều tỷ USD. Cựu lãnh đạo Intel là Craig Barrett gọi con chip xử lý của họ là "thiết bị phức tạp nhất" con người từng sản xuất.

Đó cũng là lý do các quốc gia gặp khó trong việc tự chủ công nghệ bán dẫn. Trung Quốc coi việc tự chủ về chip là ưu tiên quốc gia trong kế hoạch 5 năm gần nhất, trong khi Mỹ kêu gọi xây dựng một chuỗi cung ứng sản xuất nội địa. Ngay cả EU cũng cân nhắc việc tự sản xuất chip. Tất nhiên, thành công vẫn là thứ gì đó chưa xác định.

Sản xuất một con chip thường phải mất hơn 3 tháng, yêu cầu những nhà máy khổng lồ, phòng chống bụi, các cỗ máy nhiều triệu USD, thiếc nóng chảy và tia laser. Mục tiêu cuối cùng là biến đổi các tấm silicon – yếu tố chiết xuất từ cát trơn – thành một mạng lưới hàng tỉ các công tắc nhỏ gọi là bóng bán dẫn để tạo thành nền tảng của mạch điện mà cuối cùng sẽ cung cấp tính năng cho điện thoại, máy tính, ô tô, máy giặt hoặc vệ tinh.

Hầu hết các con chip là nhóm các mạch điện để chạy phần mềm, thao tác dữ liệu và điều khiển chức năng của thiết bị điện tử. Sự sắp xếp các mạch khác nhau mang đến mục đích khác nhau. Các công ty chip cố gắng đóng gói nhiều bóng bán dẫn hơn vào chip, nâng cao hiệu suất và làm cho các thiết bị tiết kiệm điện năng hơn. Bộ vi xử lý đầu tiên của Intel – 4004 – ra đời năm 1971 chỉ chứa 2.300 bóng bán dẫn với kích thước là 10 micromet (10 phần triệu mét). Ngày nay, những công ty như TSMC, Samsung sản xuất các con chip với bóng bán dẫn tốt hơn, kích thước giảm xuống còn 5 nanomet (5 phần tỷ mét). Để so sánh, trung bình một sợi tóc của con người có kích thước 100.000 nanomet.

Trước khi đưa các tấm silicon vào máy sản xuất chip, bạn cần một căn phòng rất sạch sẽ. Các bóng bán dẫn riêng lẻ nhỏ hơn nhiều lần so với virus. Chỉ một hạt bụi có thể gây ra tàn phá và hàng triệu USD công sức bị lãng phí. Để giảm thiểu rủi ro này, các nhà sản xuất chip đặt máy của họ trong những căn phòng miễn nhiễm với bụi. Để duy trì môi trường đó, không khí được lọc liên tục và rất ít người được phép vào. Nếu có nhiều hơn 1 hoặc 2 công nhân xuất hiện trong dây chuyền sản xuất chip – dù họ mặc thiết bị bảo hộ từ đầu đến chân, đó vẫn là dấu hiệu của sự bất ổn. Tất cả phải được điều khiển từ xa. Các tấm silicon không thể bị con người chạm vào hoặc tiếp xúc với không khí. Chúng di chuyển trong nhà máy nhờ robot.

Intel, Samsung, TSMC chiếm một nửa doanh thu ngành sản xuất chip trong năm 2020.

Một con chip bao gồm 100 lớp vật liệu. Chúng được lắng đọng, sau đó loại bỏ một phần để tạo thành cấu trúc 3 chiều phức tạp, kết nối tất cả các bóng bán dẫn nhỏ. Một số lớp này chỉ mỏng bằng một lớp nguyên tử.

Các nhà máy chip luôn làm việc 24h/ngày, 7 ngày/tuần. Họ làm điều đó vì 1 lý do: chi phí. Xây dựng một nhà máy sản xuất được khoảng 50.000 tấm silicon tiêu tốn 15 tỷ USD mỗi tháng. Phần lớn số tiền này được chi cho các thiết bị chuyên dụng. 3 công ty lớn – Intel, Samsung, TSMC chiếm phần lớn khoản đầu tư này. Các nhà máy của họ hiện đại hơn và có giá trên 20 tỷ USD mỗi nhà máy. Trong năm nay, TSMC sẽ chi 28 tỷ USD cho các nhà máy và thiết bị mới. Mặc dù dành số tiền rất lớn xây dựng các nhà máy khổng lồ, chúng sẽ trở nên lỗi thời sau 5 năm hoặc ít hơn. Đẻ tránh thua lỗ, các nhà sản xuất chip phải tạo ra 3 tỷ USD lợi nhuận từ mỗi nhà máy. Nhưng giờ đây, chỉ những công ty lớn nhất, đặc biệt là 3 công ty hàng đầu cộng lại, đã tạo ra doanh thu 188 tỷ USD. Họ cũng là đơn vị duy nhất đủ khả năng xây dựng nhiều nhà máy.

Để có lợi nhuận tốt, tỷ lệ chip không bị loại bỏ là thước đo quan trọng. Bất cứ dây chuyền sản xuất nào có tỷ lệ này thấp hơn 90% sẽ tạo ra vấn đề. Các nhà sản xuất chip vượt qua thách thức này bằng cách học đi học lại những bài học đắt giá và phát triển công nghệ dựa trên các kiến thức đó. Sự "tàn bạo" của ngành công nghiệp này khiến cho rất ít công ty có khả năng theo kịp. Hầu hết trong số 1,4 tỷ bộ vi xử lý điện thoại thông minh xuất xưởng mỗi năm là do TSMC sản xuất. Intel chiếm 80% thị phần vi xử lý máy tính. Samsung chiếm ưu thế trong lĩnh vực chip nhớ.

Tham khảo nguồn: Bloomberg