Vũ khí sản xuất chip bí mật của Intel: To gần bằng 4 sân vận động, tiêu tốn 41 triệu lít nước/ngày, hạt bụi nhỏ nhất không được phép chui lọt

Những năm 1980-1990, Intel trở thành “thế lực mới” ở thung lũng Silicon nhờ sản xuất CPU – thành phần cốt lõi trong cuộc cách mạng máy tính cá nhân. Dưới thời CEO cũ là Andy Grove, những con chip này được dùng để vận hành hệ điều hành Window cũng như rất nhiều các thiết bị xuất hiện nhan nhản khác trên khắp các văn phòng toàn cầu.

Tuy nhiên, trải qua nhiều thập kỷ, Intel đang lần lượt bị các đối thủ vượt mặt. Phía tập đoàn cũng liên tục trì hoãn việc tung ra các sản phẩm mới và khiến khách hàng bối rối.

Tháng 4/2023, Intel ghi nhận quý thua lỗ tồi tệ nhất trong lịch sử. Hãng còn cắt giảm cổ tức, sa thải nhân viên và giảm lương thương với mục tiêu đến năm 2025 sẽ có thể tiết kiệm 10 tỷ USD/năm.

“Chúng tôi chưa bao giờ rơi vào vũng bùn như vậy bởi vì trong quá khứ mọi chuyện đều thật tuyệt vời”, Gelsinger, CEO mới của Intel nói. “Chúng tôi đang thực sự gặp những vấn đề nghiêm trọng về nhiều mặt. Tất cả cần phải được giải quyết”.

Dẫu vậy, không thể phủ nhận vai trò của Intel trong ngành công nghiệp chip nhớ trị giá hàng tỷ USD. Đây vẫn là một trong ba tập đoàn tiên tiến lớn nhất thế giới, chỉ đứng sau Samsung và TSMC.

Theo The New York Times, Intel nổi tiếng với những con chip được gọi là bộ vi xử lý có thể thực hiện hầu hết các chức năng tính toán cơ bản của chiếc máy tính. Gã khổng lồ này, theo thời gian, đã cố gắng thu nhỏ kích thước các bóng bán dẫn trên bộ vi xử lý, song vẫn bị đối thủ Đài Loan (Trung Quốc) qua mặt.

Trong hành trình tìm lại vị trí dẫn đầu, Intel đổ rất nhiều tiền vào các siêu nhà máy nhằm giải quyết tình trạng thiếu hụt chất bán dẫn và củng cố lại vị thế cho nước Mỹ. Ngoài 2 nhà máy tại bang Arizona, Intel đã lên kế hoạch xây dựng các cơ sở sản xuất chip tại Ohio và Magdeburg (Đức).

Có kích thước rất nhỏ, song chip bán dẫn phải được tạo ra trong các siêu nhà máy khổng lồ có chiều dài gần bằng 4 sân vận động và được trang bị rất nhiều công nghệ tiên tiến, tối tân. Tại sao sản xuất chip lại đòi hỏi nhiều khoản đầu tư trị giá hàng tỷ USD đến vậy? Câu trả lời nằm ở chính quy mô các nhà máy sản xuất chất bán dẫn của Intel tại thành phố Chandler và Hillsboro.

Hệ thống xử lý wafer

Ngoài khoản đầu tư khổng lồ cho cơ sở hạ tầng và máy móc, Intel chi mạnh tay cho quá trình xử lý chip phức tạp, chẳng hạn như tách chip từ tấm bán dẫn (wafer), tức fabricate. Đó là lý do vì sao các nhà máy bán dẫn thường được gọi là ‘fab’.

‘Fab’ thiết kế chip trên từng wafer, sau đó dùng phương pháp khắc và lắng đọng hơi hóa học để kết nối bóng bán dẫn với nhau. Tối đa 25 wafer khi đó sẽ cùng di chuyển trên một hệ thống chạy tự động trên cao.

Quá trình xử lý 1 tấm wafer cần hàng nghìn bước và kéo dài suốt 2 tháng ròng rã. TSMC, đối thủ lớn của Intel đang đẩy nhanh tốc độ này trong những năm gần đây và cố gắng vận hành các ‘siêu fab’ có 4 dây chuyền sản xuất trở lên.

Dan Hutcheson, phó Chủ tịch Công ty nghiên cứu thị trường TechInsights, ước tính rằng mỗi ‘siêu fab’ này của TSMC có thể xử lý hơn 100.000 wafer mỗi tháng. Trong khi đó, 2 nhà máy trị giá 10 tỷ USD được Intel xây tại Arizona chỉ có thể đạt công suất 40.000 wafer.

Đóng gói (packaging) cũng là khâu vô cùng quan trọng. Các công ty hiện đang phát triển công nghệ xếp chồng hoặc nối các chip với nhau để chúng có thể hoạt động như một con chip thống nhất. Theo The New York Times, Intel đã phát triển thành công công nghệ đóng gói mới có thể kết nối 47 chip độc lập thành một.

Chip Intel thường được bán với giá hàng trăm, thậm chí hàng nghìn USD mỗi con. Một bộ vi xử lý nhanh dành cho máy tính để bàn hồi tháng 3/2022 đã được hãng này rao bán với giá khởi điểm 739 USD. Vì sao những thiết bị tí hon này lại đắt đến vậy?

Cỗ máy lọc khí, chỉnh nhiệt hoàn hảo

Câu trả lời nằm ở chính những nhà máy sản xuất chip. Theo The New York Times, các nhà máy chip phải tuân thủ quy trình vệ sinh nghiêm ngặt hơn cả bệnh viện vì một hạt bụi siêu nhỏ cũng có thể ảnh hưởng đến quy trình sản xuất. Toàn bộ nhà máy cũng được trang bị hệ thống lọc không khí, điều chỉnh nhiệt, độ ẩm cùng thiết bị chống rung đặc biệt bởi chỉ một chuyển động nhỏ cũng có thể khiến những cỗ máy đắt tiền vận hành sai lệch.

Quá trình lọc khí và chất lỏng cũng rất quan trọng. Tầng cao nhất của nhà máy Intel, ở độ cao 21m, luôn được trang bị một hệ thống quạt khổng lồ để chỉ những luồng không khí sạch mới có thể lưu thông xuống khu lắp ráp chip. Hàng nghìn máy bơm, máy biến áp, tủ điện, ống dẫn và máy làm lạnh (chiller) cũng được kết nối với dây chuyền chung nhằm đảm bảo mọi con chip đều được thiết kế chuẩn xác.

Một siêu nhà máy chip cần rất nhiều nước để làm sạch các tấm wafer. Theo The New York Times, 2 nhà máy của Intel tại thành phố Chandler, bang Arizona cần trung bình 41,6 triệu lít nước mỗi ngày. Nếu có thêm nhiều nhà máy, sự gia tăng nhu cầu sử dụng nước sẽ trở thành thách thức lớn mà Intel cần phải vượt qua, nhất là tại các bang thường xuyên xảy ra hạn hán như Arizona.

Theo Intel, nguồn nước phục vụ trong các nhà máy tại Chandler chủ yếu đến từ 3 con sông và hệ thống giếng phức tạp. Sau khi sử dụng xong, nước được chuyển về các cơ sở xử lý do Intel tài trợ để phân phối cho hoạt động tưới tiêu nông nghiệp và một số mục đích khác.

Công trình đồ sộ với 100.000 tấn sắt thép

Để xây dựng các nhà máy mới trong tương lai, Intel cần khoảng 5.000 công nhân lành nghề trong suốt 3 năm. Công trình tại Arizona cần đào khoảng 890.000 m3 đất, đổ hơn 445.000 m3 bê tông và sử dụng 100.000 tấn thép để gia cố nền móng, tức nhiều hơn cả vật liệu xây dựng tòa nhà cao nhất thế giới Burj Khalifa tại Dubai (UAE). Công suất vận hành xe ben phải đạt mỗi phút một chuyến mới có thể kịp tiến độ.

Ngoài ra, xe cần cẩu phục vụ quá trình xây nhà máy sản xuất chip cũng phải là loại siêu lớn bởi chỉ chúng mới có thể nâng các thiết bị nặng tới 55 tấn lắp đặt trong các siêu nhà máy.

Theo: The New York Times, WSJ