Trong 75 năm qua, biểu đồ sản xuất và giá cả của ngành bán dẫn cho thấy hai xu hướng quan trọng “sản xuất nhiều lên, giá thành rẻ đi”.
 

Cuộc đua giá thành

Khởi điểm của ngành, vào năm 1947, chỉ có một bóng bán dẫn nhưng sau đó số lượng bóng bán dẫn bán ra ngày càng tăng theo cấp số nhân (bóng bán dẫn – transitor là thành phần cốt lõi, giúp xử lý số liệu, trong mỗi con chip. Mỗi con chip có hàng tỉ bóng bán dẫn).

Trong thập niên đầu của ngành bán dẫn, giữa những năm 1950, chi phí để sản xuất một nghìn tỷ bóng bán dẫn rất cao (hàng nghìn tỷ đô la), nhưng các thập niên sau đó, giá thành liên tục giảm mạnh, đặc biệt từ những năm 1990, khi công nghệ bán dẫn tiến bộ nhanh chóng. Thậm chí đến năm 2021, mức giá xuống chỉ còn dưới 1 USD, gần như tiệm cận 0 USD trên mỗi nghìn tỷ bóng bán dẫn.

Giá bóng bán dẫn giảm mạnh theo thời gian (đường màu vàng); Số lượng bóng bán dẫn được bán ra tăng theo thời gian (đường màu nâu). Nguồn: https://spectrum.ieee.org/transistor-density

Trong cuộc tọa đàm về “Chiplet và cơ hội tham gia chuỗi giá trị bán dẫn” do Tia Sáng/ KH&PT và Cộng đồng vi mạch đồng tổ chức vào cuối năm 2023, bà Nguyễn Bích Yến (chuyên gia cao cấp của hãng Soitec), là chứng nhân lịch sử của một thời kỳ phát triển sôi động nhất của công nghệ vi mạch trong hơn 40 năm qua đã giải thích, tóm lược nguyên nhân của hai xu hướng trên trong đồ thị ngành bán dẫn là định luật Moore giúp số lượng bóng bán dẫn trên mỗi con chip tăng gấp đôi sau mỗi 18-24 tháng, dẫn đến chi phí sản xuất mỗi bóng bán dẫn giảm mạnh; công nghệ chế tạo chip tiến bộ nhanh chóng giúp kích thước bóng bán dẫn ngày càng nhỏ hơn - hiện nay đã xuống mức vài nanomet giúp sản xuất số lượng chip nhiều hơn; và nhu cầu về điện toán, tự động hóa đang gia tăng quá nhanh với sự phát triển của máy tính cá nhân, smartphone, trí tuệ nhân tạo (AI), ô tô điện cho đến các dịch vụ y tế... làm gia tăng nhu cầu sử dụng chip.

Về quy mô thị trường, trong 66 năm (đến khoảng 2016), thị trường bán dẫn đã đạt được 500 tỷ USD, nhưng chỉ trong một thập kỷ gần đây nhất, market share (giá trị thị trường) của chất bán dẫn đã tăng gấp đôi lên trên 1.000 tỷ USD. Còn giá thành của mỗi con chip thì ngày càng rẻ đi.

Lâu nay “mọi người cứ nghĩ công nghệ sản xuất chip rất phức tạp rất đắt tiền, nhưng việc đầu tư vô cùng lớn cho công nghệ đắt đỏ đấy là để cho phép sản xuất hàng loạt, cho phép giá thành con chip rẻ đi”, ông Nguyễn Thanh Yên, Tổng Giám đốc Công ty Vi mạch CoAsia Semi tại Việt Nam nhấn mạnh. Ví dụ dễ thấy ngay, vào năm 2021 thế giới bán được 1.000 tỉ chip, nhưng tổng thu khoảng 500 tỷ USD, nên tính ra trung bình một con chip chỉ có giá 0,5 USD.

Cuộc đua tốc độ

Đằng sau những con số khó tưởng tượng nổi đó là nhờ quá trình nghiên cứu và phát triển công nghệ giúp giảm giá thành sản xuất mỗi bóng bán dẫn, nói nôm na là vì các kỹ sư đã học cách tích hợp ngày càng nhiều bóng bán dẫn vào trên cùng tấm wafer (tấm wafer: một đĩa tròn làm từ silicon, là vật liệu nền mà các bóng bán dẫn được chế tạo trên đó). Để sản xuất được hàng loạt thì phải đảm bảo tính copy được, giống hệt nhau, không sai một chút nào. Điều này có được là nhờ công nghệ quang khắc (hiểu nôm na giống như in ảnh) đảm bảo chắc chắn cả tỉ con chip được chế tạo ra là đồng nhất, sai số nếu có là vô cùng nhỏ. Đồng thời, tiến bộ công nghệ cho phép trên một tấm wafer có đường kính cố định khoảng 200 – 300 mm, liên tục giảm kích thước từng bóng bán dẫn ghép lên đó - gọi là các nút công nghệ - từ 130, 90, 65, 28, 14, 8, 5 nanomet, và thậm chí giờ là 2 nanomet.

Như vậy tiến bộ công nghệ cho phép trên cùng một wafer sẽ ngày càng sản xuất được số lượng nhiều chip hơn, đồng nghĩa với việc giá thành một chip sẽ rẻ hơn. Hoặc nếu số lượng chip trên một wafer là giống nhau thì công nghệ cho phép số lượng bóng bán dẫn được tích hợp trên một chip sẽ nhiều lên, cho phép thực hiện nhiều chức năng hơn trên một chip, chức năng càng nhiều lên nhưng giá thành sản xuất ra không đổi. “Như thế nghĩa là tạo ra một sản phẩm chất lượng tốt hơn, tóm lại là chip mạnh hơn, nhỏ gọn hơn, tiêu thụ ít điện hơn nhưng giá lại không đổi”, ông Yên giải thích.

Các nhà khoa học đã không ngừng sáng tạo để đáp ứng yêu cầu của thị trường. Theo bà Bích Yến, trong hơn sáu thập niên, kích thước bóng bán dẫn đã được thu nhỏ xuống 1 triệu lần, tăng hiệu suất lên 3.500 lần, giảm giá thành 60.000 lần và tăng hiệu năng lên 90.000 lần. Đây là một kỳ tích về tiến bộ công nghệ và tốc độ đưa vào thiết kế, sản xuất “mà khó có công nghệ nào khác đạt được”, như bà Bích Yến nhận xét.

Nhìn lại lịch sử của ngành bán dẫn, với các kỳ tích công nghệ, các xu hướng sản xuất ngày càng lớn hơn, giá thành ngày càng giảm đi đó để thấy rằng khi tham gia vào cuộc đua sản xuất chip, Việt Nam cũng không tránh khỏi quy luật giá rẻ và tốc độ đó. Ngay cả với phân khúc thiết kế chip – vốn không đòi hỏi nhân công giá rẻ (thực ra chi phí thiết kế chip lên tới cả triệu đôla nhưng tính trong tổng chi phí thiết kế, sản xuất hàng chục hoặc trăm triệu con chip là không đáng kể) nhưng các công ty thiết kế vẫn phải chạy đua tốc độ. Ví dụ, công ty của ông Nguyễn Thanh Yên chuyên thiết kế thuê cho các hãng lớn như SamSung và các công ty khác, dù được các hãng lớn tin tưởng thì các kỹ sư phải thực sự lành nghề, bởi nếu thiết kế không tốt sẽ gây rủi ro cho khách hàng và dễ bị đối thủ khác lấy mất hợp đồng công việc. Trong quá khứ, chính ông Nguyễn Thanh Yên cũng từng nếm trải sự khắc nghiệt của cuộc đua tốc độ ấy khi thiết kế chip và thử lỗi bị chậm sáu tháng so với đối thủ, “bị đối thủ đi lên trước, chiếm được thị trường, vốn đầu tư ban đầu coi như bỏ đi”.

Theo quan sát của ông Nguyễn Thanh Yên, là sáng lập và Quản trị viên Cộng đồng Vi mạch Việt Nam trong nhiều năm nay, hiện nay Việt Nam chưa có nhà sản xuất (Fab) mà mới chỉ có nguồn nhân lực thiết kế, đóng gói, các nhà máy đóng gói, kiểm thử, và các công ty thiết kế, nên chưa doanh nghiệp nào được nếm trải toàn bộ quá trình xác định phân khúc, tìm kiếm thị trường, thiết kế, thuê các nhà cung cấp, cho đến sản xuất, giá bán… (tóm lại kéo theo xung quanh nó cả một hệ sinh thái). Trong bối cảnh đó, nhà nước đang kêu gọi đầu tư vào ngành bán dẫn, nhưng “một doanh nghiệp đầu tư thì sẽ cô đơn, chịu nhiều rủi ro. Chắc chắn nhà máy đầu tiên sẽ chịu lỗ trong vòng 5-10 năm”. Vì nhà máy mới cần thời gian để chứng minh sản phẩm làm ra tốt, thậm chí thời gian đầu chạy dưới công suất thiết kế, cần thời gian tính bằng năm để nâng công suất.

Ngay như ông lớn TSMC thành lập vào năm 1987, lên sàn IPO ở Đài Loan vào 1994, nhưng cũng phải đến quãng sau 2000 mới bắt đầu phát triển mạnh (bắt đầu bùng nổ điện thoại thông minh), trước đó rất chật vật. Do đó, ở điểm này, khi cụ thể hóa Nghị quyết mới về tháo gỡ điểm nghẽn cho KH&CN và ĐMST của Quốc hội, trong đó có ưu đãi cho phát triển bán dẫn, “tôi nghĩ rằng các nhà quản lý nên nghĩ tới một cơ chế, điều kiện để kích thích các doanh nghiệp lớn hợp tác với nhau trong xây dựng fab, nếu fab do các doanh nghiệp liên kết với nhau thì được hỗ trợ gấp đôi và không quá 10.000 tỉ chẳng hạn”, ông Nguyễn Thanh Yên khuyến nghị.

Trong thời gian tới, theo quan sát của các chuyên gia ngành bán dẫn, nếu chưa mơ được ước mơ lớn là có nhà máy sản xuất chip thì ngoài thiết kế là mảng nhiều công ty đã giàu kinh nghiệm và có nguồn nhân lực tốt thì các nhà đầu tư ở Việt Nam có thể nghĩ tới nhà máy đóng gói chiplet. Các diễn giả tham gia vào tọa đàm về chiplet của Tia Sáng/ KH&PT đều tán đồng rằng “chiplet trong khâu đóng gói là một cơ hội để tham gia sâu hơn vào chuỗi bán dẫn và đạt được nhiều giá trị”. Vì ngành bán dẫn đang ở một khúc cua mới, việc sản xuất bóng bán dẫn hiện nay đang đến nốt chip 2nanomet có thể sẽ phải dừng lại vì quá đắt đỏ, mặt khác nhu cầu tính toán tăng lên thì cần con chip ngày càng to ra, tấm wafer rất mỏng để gắn các single transitor sẽ bị cong vênh.

Các dự đoán của giới chuyên gia công nghệ đều cho rằng sẽ sớm chạm tới giới hạn vật lý. Và chiplet cho phép đóng gói các chip riêng lẻ lại trong một dạng bao bì mới, cần xây dựng nhà máy cho quy trình sản xuất mới, hoặc sẽ cần sự liên kết giữa các nhà sản xuất nếu cùng chia sẻ được dữ liệu với nhau. “Quy trình đóng gói chiplet không phải là cái gì quá tốn kém, cao siêu ghê gớm như công nghệ tiên tiến 2 nanomet, tức là cơ hội để mình có thể tham gia làm một phần trong đó sẽ dễ chịu hơn về mặt chi phí đầu tư và năng lực công nghệ. Vì nó mới mẻ nên mình có thể tham gia vào và làm chủ. Thay vì FDI 100% thì các doanh nghiệp Việt Nam cũng có thể tham gia, góp vốn, hoặc đầu tư. Chiplet tạo ra cơ hội mới, sân chơi mới, nghĩa là nó chưa tạo ra quá nhiều rào cản kỹ thuật để người chơi mới như Việt Nam có thể tham gia nếu đủ quyết tâm”, ông Nguyễn Thanh Yên cho biết.