“Hậu trường” của chất bán dẫn

Đằng sau mỗi đột phá kỹ thuật số là một nền tảng phần cứng. Vi mạch, kết hợp nhiều thành phần bán dẫn để điều khiển một loạt quy trình điện tử, đã thúc đẩy sự đổi mới kể từ khi Texas Instruments phát triển mạch tích hợp (IC) thương mại hóa đầu tiên trên thế giới vào những năm 1950. Kể từ đó, chip ngày càng trở nên nhỏ hơn và mạnh hơn, khiến công nghệ này trở thành một thành phần cốt lõi trong các thiết bị hàng ngày, và hoạt động sản xuất đã lan rộng khắp Thái Bình Dương, tạo ra một chuỗi giá trị toàn cầu phức tạp.

Ngày nay, nhu cầu về chip tiên tiến đang tăng cao khi các doanh nghiệp tìm cách áp dụng công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI) để mở ra một làn sóng mới về đổi mới sáng tạo. Đồng thời, căng thẳng trong chuỗi cung ứng toàn cầu đang tiếp tục gây áp lực lên lĩnh vực này. Theo dự báo gần đây của Spherical Insights, doanh số bán chip trêntoàn cầu dự kiến sẽ tăng gần gấp đôi trong thập kỷ này kể từ năm 2023, đạt 1,2 nghìn tỷ Đô-la Mỹ vào năm 2033.¹ Các nhà phân tích cho biết thực tế ảo, chơi game, lái xe tự động và những tiến bộ trong viễn thông sẽ thúc đẩy lĩnh vực này tăng trưởng nhanh chóng.²

Khi thế hệ đột phá kỹ thuật số tiếp theo xuất hiện, các doanh nghiệp ở Châu Á Thái Bình Dương sẽ cần chú ý theo dõi diễn biến để tận dụng các cơ hội mới và củng cố chuỗi cung ứng của mình trong bối cảnh phát triển nhanh chóng.

Tìm hiểu về chất bán dẫn

Chip bán dẫn là những sản phẩm chế tạo rất mỏng tích hợp nhiều bóng bán dẫn điện tử, điện trở và tụ điện trên một chất nền dẫn điện duy nhất.

Trước đây, các bộ phận được sản xuất riêng lẻ, bố trí trên một tấm đế và nối dây với nhau. Ứng dụng càng cần nhiều bóng bán dẫn thì thiết bị sẽ càng cồng kềnh, điều này rốt cuộc khiến mạch điện bị chậm khi dòng điện truyền qua những khoảng cách vật lý lớn hơn.

IC hay vi mạch đã giải quyết cả thách thức về kích thước và hệ thống dây điện, kết hợp tất cả các bộ phận thành một gói duy nhất được rèn từ một vật liệu – điển hình là silicon.

Trong khi các công ty Mỹ và châu Âu tiếp tục thống trị trong lĩnh vực thiết kế chip cao cấp và thiết bị sản xuất tiên tiến nhất (MediaTek và RealTek của Đài Loan là những công ty duy nhất không phải của Mỹ nằm trong top 10 toàn cầu),³ việc sản xuất thực tế được giao cho các công ty khác, được gọi là fab hoặc foundry (nhà máy sản xuất tấm chất bán dẫn).

Taiwan Semiconductor Manufacturing Co là một foundry chuyên doanh và gần như không làm gì khác, nhưng kiểm soát hơn một nửa thị trường toàn cầu về sản xuất chất bán dẫn tiên tiến nhất. Samsung Electronics của Hàn Quốc thiết kế và sản xuất chip riêng nhưng cũng kiểm soát hơn 10% thị trường foundry toàn cầu; SK Hynix, đối thủ tại địa phương, là nhà sản xuất chip nhớ lớn thứ hai thế giới và đang mở rộng phạm vi mảng kinh doanh fab theo hợp đồng.⁴

Mặc dù hầu hết các thiết bị điện tử ngày nay đều cần có chip, không phải tất cả thiết bị điện tử đều cần phiên bản mới nhất và cao cấp nhất. Điều đó tạo ra một vùng nội địa rộng lớn về sản xuất chip được chiếm lĩnh bởi các nhà sản xuất châu Á, bao gồm UMC và PSMC của Đài Loan cũng như SMIC và Huahong Group của Trung Quốc.⁵

Với sự hiện diện trong các hệ thống điện tử tiêu dùng, vận tải, ngân hàng và y tế, chip thâm nhập vào cuộc sống hàng ngày thông qua vô số ứng dụng từ máy theo dõi sức khỏe đến ô tô, máy giặt và điện thoại di động.

Với sự ra đời của từng lĩnh vực chuyển đổi số mới, chất bán dẫn càng trở nên thiết yếu hơn đối với các doanh nghiệp. Thương mại điện tử và thanh toán kỹ thuật số chỉ có thể bùng nổ ở Châu Á Thái Bình Dương nhờ những tiến bộ về hiệu suất xử lý dữ liệu.

Nhu cầu xử lý cấp cao hơn cũng đang làm thay đổi lĩnh vực chip khi khách hàng tìm kiếm phần cứng chuyên dụng để hỗ trợ công nghệ mới, bao gồm cả AI.

Quy trình sản xuất phức tạp

Những thay đổi trong lĩnh vực chip không phải là câu chuyện một sớm một chiều. Sự phức tạp của quá trình sản xuất chất bán dẫn, từ giai đoạn sau thiết kế cho đến đóng gói, có thể mất tới bốn tháng với hàng trăm bước, bao gồm quá trình oxy hóa, in li-tô và khắc axit.⁶

Việc xây dựng một nhà máy chế tạo có thể mất bốn năm hoặc lâu hơn và tiêu tốn hàng tỷ đô la. Nhà máy mới của Samsung Electronics ở Texas dự kiến có chi phí hơn 25 tỷ Đô-la Mỹ.⁷

Chỉ riêng thiết bị chế tạo đã đòi hỏi một khoản đầu tư đáng kinh ngạc. Máy quang khắc bằng tia tử ngoại cực ngoại cần hàng trăm kỹ sư để lắp đặt và có giá thương mại gần 400 triệu Đô-la Mỹ.⁸

Nhật Bản đứng thứ ba sau Hàn Quốc và Đài Loan về sản xuất chip toàn cầu nhưng chiếm hơn một nửa thị trường sản xuất vật liệu bán dẫn và khoảng 1/3 thị trường sản xuất thiết bị. Các công ty như Tokyo Electron và Nikon vượt trội trong việc sản xuất các công cụ quang khắc vi mô tiên tiến và các thiết bị khác; Shin-Etsu là nhà cung cấp nguyên liệu thô như tấm silicon.⁹

Sau khi một nhà máy sản xuất chip đi vào hoạt động, công nhân phải tuân theo các tiêu chuẩn vệ sinh nghiêm ngặt, mặc đồ bảo hộ và đi qua buồng thổi khí được lọc để duy trì môi trường sạch hơn không khí bên ngoài 10.000 lần.¹⁰ Những khiếm khuyết nhỏ nhất, thậm chí là một hạt bụi, cũng có thể làm hỏng một vi mạch, điều này nhấn mạnh tính chất quan trọng của việc kiểm soát chất lượng và nguy cơ hỏng hóc trong sản xuất chất bán dẫn.

Malaysia đã phát triển một lĩnh vực ngách có tầm quan trọng toàn cầu trong thử nghiệm và đóng gói tiên tiến – một lĩnh vực ngày càng trở nên quan trọng khi các con chip riêng lẻ gặp hạn chế về công suất. Việc kết hợp các chip lại với nhau trong quá trình đóng gói đang trở thành một cách để vượt qua các giới hạn vật lý, đặc biệt là trong các ứng dụng AI và thực tế ảo.¹¹

Vào tháng 4, SK Hynix và TSMC đã công bố hợp tác sản xuất chip nhớ thế hệ tiếp theo được cải tiến với kỹ thuật đóng gói tiên tiến “nhằm phá vỡ giới hạn hiệu suất bộ nhớ cho các ứng dụng AI”.¹²

Đổi mới cho tương lai

Ngành công nghiệp bán dẫn đang ở trong cuộc chạy đua không ngừng nghỉ về đổi mới sáng tạo, trong đó những tiến bộ có vẻ nhỏ bé cũng có thể thúc đẩy tăng thị phần đáng kể. Kích thước linh kiện đã giảm xuống đến đơn vị nanomet, với các công ty như Intel, Samsung và TSMC đang cạnh tranh để xuất xưởng chip 2 nanomet đầu tiên.¹³

Quá trình cạnh tranh và phát triển sản phẩm đang được thúc đẩy bởi mối quan tâm đến AI tạo sinh (generative AI) trên toàn cầu. Trong khi các tập đoàn lớn về chip như AMD và Intel đang cạnh tranh gay gắt với Nvidia để tung ra các chip AI mới hơn, hiệu quả hơn và mạnh mẽ hơn,¹⁴ những cái tên thường gắn liền với phần mềm như Google hay Microsoft cũng đang bước vào cuộc đua chế tạo chip AI, và mạng xã hội Meta và gã khổng lồ thương mại điện tử Amazon cũng vậy.¹⁵

Ngành công nghiệp này cũng đang thích ứng với các động lực mới, được thúc đẩy bởi những nỗ lực giảm thiểu rủi ro cho chuỗi cung ứng. Các sáng kiến sản xuất bền vững, kết hợp với các giải pháp hóa học xanh và cải thiện hiệu quả sử dụng nước, cũng ngày càng trở nên quan trọng hơn đối với ngành này, qua đó thu hút sự chú ý đến một lĩnh vực có cơ hội tăng trưởng tiềm năng khi thế giới chuyển sang nền kinh tế carbon thấp và tiết kiệm tài nguyên.

Việc sử dụng silicon trong các quy trình sản xuất chip đã tạo động lực thúc đẩy cho kỷ nguyên máy tính, tương tự như vậy, một tiến triển mới trong lĩnh vực vật liệu có thể sắp sửa làm thay đổi cục diện một lần nữa. Những phát triển mới trong lĩnh vực chất bán dẫn hỗn hợp – sử dụng hỗn hợp vật liệu như gali nitrit hoặc cacbua silic – nâng cao hiệu suất cho các chức năng riêng, chẳng hạn như tăng băng thông 5G và 6G cho viễn thông hoặc laser phát xạ bề mặt khoang dọc (VCSEL) được sử dụng trong cảm biến 3D cho các phương tiện tự hành.¹⁶

Khả năng duy trì nguồn cung cấp chip tinh xảo ổn định sẽ rất quan trọng đối với các ngành đang tìm cách khai thác sức mạnh của công nghệ tiên tiến. Ví dụ, ô tô tự lái cần hơn 3.000 chip bán dẫn để hoạt động mà không cần người lái điều khiển.¹⁷

Chip cũng sẽ đóng vai trò then chốt trong quá trình chuyển đổi xanh, tạo điều kiện cho các công nghệ năng lượng sạch như tấm pin mặt trời, tua-bin gió và hệ thống chiếu sáng tiết kiệm năng lượng.

Chất bán dẫn ngày càng trở nên không thể thiếu được trong thế giới kết nối kỹ thuật số của chúng ta. Hiểu biết về sự phát triển của lĩnh vực phức tạp này có thể giúp các doanh nghiệp ở Châu Á Thái Bình Dương chuẩn bị sẵn sàng cho những rủi ro và cơ hội trong tương lai.