Hệ sinh thái bán dẫn mà Việt Nam đang hướng tới?

[Thanh Thúy]

Ngày 21/9/2024, Thủ tướng Phạm Minh Chính đã ký ban hành Chiến lược phát triển công nghiệp bán dẫn Việt Nam đến năm 2030 và tầm nhìn 2050 nhằm mục tiêu đưa Việt Nam trở thành một trong những trung tâm hàng đầu thế giới trong lĩnh vực bán dẫn.

Việt Nam đã đề ra con đường phát triển ngành công nghiệp bán dẫn từ nay đến năm 2030, tầm nhìn 2050 theo cách tiếp cận độc đáo, thể hiện lý luận, đường đi theo công thức:

C = SET+1

Trong đó C là viết tắt của Chip (chip bán dẫn)

S là viết tắt của Specialized (phát triển chip chuyên dụng)

E là viết tắt của Electronics (Công nghiệp điện tử)

T là viết tắt của Talent (Nhân lực công nghệ)

+1 là Việt Nam (thể hiện Việt Nam là điểm đến an toàn của chuỗi cung ứng bán dẫn toàn cầu).

Nhưng bất chấp tất cả những cuộc nói chuyện về chip và chất bán dẫn, ít người hiểu được ngành công nghiệp này được cấu trúc như thế nào để từ đó hình dung được con đường phát triển ngành bán dẫn Việt Nam. Tôi thấy cách tốt nhất để hiểu một điều gì đó phức tạp là lập sơ đồ từng bước một. Vì vậy, đây là hướng dẫn bằng hình ảnh nhanh về cách ngành công nghiệp này hoạt động.

Hệ sinh thái bán dẫn. Nguồn: Steve Blank
Hệ sinh thái bán dẫn
Chúng ta đang chứng kiến sự chuyển đổi số của mọi thứ . Chất bán dẫn – chip xử lý thông tin kỹ thuật số – có trong hầu hết mọi thứ: máy tính, ô tô, đồ gia dụng, thiết bị y tế, v.v. Các công ty bán dẫn sẽ bán được 831 tỷ đô la chip trong năm nay, theo Statista.

Nhìn vào hình bên dưới, ngành công nghiệp này có vẻ khá đơn giản. Các công ty trong hệ sinh thái bán dẫn sản xuất chip (hình tam giác bên trái) và bán chúng cho các công ty và cơ quan chính phủ (bên phải). Các công ty và cơ quan chính phủ đó sau đó thiết kế chip thành các hệ thống và thiết bị (ví dụ như iPhone, PC, máy bay, điện toán đám mây, v.v.) và bán chúng cho người tiêu dùng, doanh nghiệp và chính phủ.

Doanh thu của các sản phẩm có chứa chip có giá trị hàng chục nghìn tỷ đô la.

Tuy nhiên, xét đến quy mô lớn của ngành, ngành này vẫn là một bí ẩn đối với hầu hết mọi người. Nếu bạn nghĩ đến ngành công nghiệp bán dẫn, bạn có thể hình dung ra những công nhân mặc bộ đồ phi hành gia trong một phòng sạch (nhà máy sản xuất chip) đang cầm một tấm wafer 12 inch. Tuy nhiên, đây là một doanh nghiệp chế tác vật liệu theo từng nguyên tử một và các nhà máy của họ tốn hàng chục tỷ đô la để xây dựng.

Nếu bạn có thể nhìn vào bên trong hình tam giác đơn giản đại diện cho ngành công nghiệp bán dẫn, thay vì một công ty sản xuất chip, bạn sẽ thấy một ngành công nghiệp với hàng trăm công ty, tất cả đều phụ thuộc vào nhau. Nhìn chung, nó khá choáng ngợp, vì vậy hãy mô tả từng phần của hệ sinh thái tại một thời điểm. (Cảnh báo - đây là góc nhìn đơn giản hóa của một ngành công nghiệp rất phức tạp.)
Phân khúc ngành công nghiệp bán dẫn
Ngành công nghiệp bán dẫn có 7 loại công ty khác nhau. Mỗi phân khúc công nghiệp riêng biệt này cung cấp nguồn lực lên chuỗi giá trị cho đến khi cuối cùng một nhà máy sản xuất chip (một “Fab”) có tất cả các thiết kế, thiết bị và vật liệu cần thiết để sản xuất chip. Xét từ dưới lên, các phân khúc công nghiệp bán dẫn này là:

1. Lõi sở hữu trí tuệ (IP) của Chip
2. Công cụ Tự động hóa Thiết kế Điện tử (EDA)
3. Vật liệu chuyên dụng
4. Thiết bị chế tạo wafer (WFE)
5. Các công ty sản xuất chip “Fabless”
6. Nhà sản xuất thiết bị tích hợp (IDM)
7. Xưởng đúc chip
8. Lắp ráp và thử nghiệm bán dẫn thuê ngoài (OSAT)

Dưới đây cung cấp thông tin chi tiết hơn về từng phân khúc trong 8 phân khúc của ngành công nghiệp bán dẫn này.
Lõi sở hữu trí tuệ (IP) của Chip

• Thiết kế của một con chip có thể thuộc sở hữu của một công ty duy nhất hoặc…
• Một số công ty cấp phép thiết kế chip - dưới dạng các khối xây dựng phần mềm, được gọi là Lõi IP - để sử dụng rộng rãi
• Có hơn 150 công ty bán lõi IP chip
• Ví dụ, Apple cấp phép IP Cores từ ARM như một khối xây dựng của bộ vi xử lý trong iPhone và máy tính của họ.

Công cụ Tự động hóa Thiết kế Điện tử (EDA)

• Các kỹ sư thiết kế chip (thêm thiết kế của riêng họ vào bất kỳ lõi IP nào họ đã mua) bằng phần mềm Tự động hóa thiết kế điện tử (EDA) chuyên dụng
• Ngành công nghiệp này được thống trị bởi ba nhà cung cấp của Hoa Kỳ – Cadence, Mentor (hiện là một phần của Siemens) và Synopsys
• Phải mất một nhóm kỹ sư lớn sử dụng các công cụ EDA này trong 2-3 năm để thiết kế một chip logic phức tạp như bộ vi xử lý được sử dụng bên trong điện thoại, máy tính hoặc máy chủ. (Xem hình minh họa quy trình thiết kế bên dưới.)

Ngày nay, khi các chip logic ngày càng trở nên phức tạp hơn, tất cả các công ty Tự động hóa Thiết kế Điện tử đều bắt đầu đưa các công cụ hỗ trợ Trí tuệ Nhân tạo vào để tự động hóa và tăng tốc quá trình.

Vật liệu và hóa chất chuyên dụng
Cho đến nay, chip của chúng tôi vẫn còn trong phần mềm. Nhưng để biến nó thành thứ hữu hình, chúng tôi sẽ phải sản xuất nó trong một nhà máy sản xuất chip gọi là "fab". Các nhà máy sản xuất chip cần mua vật liệu và hóa chất chuyên dụng:

• Tấm silicon – và để làm ra chúng, họ cần lò nung tinh thể
• Hơn 100 loại khí được sử dụng – khí khối (oxy, nitơ, carbon dioxide, hydro, argon, heli) và các loại khí lạ/độc hại khác (flo, nitơ trifluoride, arsine, phosphine, boron trifluoride, diborane, silane, v.v.)
• Chất lỏng ( chất cản quang, lớp phủ trên cùng, bùn CMP )
• Mặt nạ ảnh
• Thiết bị xử lý wafer, cắt hạt lựu
• Máy phát RF

Thiết bị chế tạo wafer (WFE) Sản xuất chip

• Những máy này sản xuất chip theo cách vật lý
• Năm công ty thống trị ngành công nghiệp – Applied Materials, KLA, LAM, Tokyo Electron và ASML
• Đây là một số máy phức tạp nhất (và đắt tiền nhất) trên Trái Đất. Chúng lấy một lát của một thỏi silicon và thao tác các nguyên tử của nó trên và dưới bề mặt.
• Chúng tôi sẽ giải thích cách sử dụng những máy này sau.

Các công ty sản xuất chip “Fabless”

• Các công ty hệ thống (Apple, Qualcomm, Nvidia, Amazon, Facebook, v.v.) trước đây sử dụng chip bán sẵn thì giờ đây đã tự thiết kế chip của riêng mình.
• Họ tạo ra các thiết kế chip (sử dụng IP Cores và thiết kế của riêng họ) và gửi các thiết kế đến "xưởng đúc" có "nhà máy" sản xuất chúng
• Họ có thể sử dụng chip độc quyền trong các thiết bị của riêng họ, ví dụ như Apple, Google, Amazon….
• Hoặc họ có thể bán chip cho mọi người như AMD, Nvidia, Qualcomm, Broadcom…
• Họ không sở hữu Thiết bị chế tạo wafer hoặc sử dụng vật liệu hoặc hóa chất chuyên dụng
• Họ sử dụng Chip IP và Phần mềm thiết kế điện tử để thiết kế chip

Nhà sản xuất thiết bị tích hợp (IDM)

• Các nhà sản xuất thiết bị tích hợp (IDM) thiết kế, sản xuất (tại nhà máy của riêng họ) và bán chip của riêng họ
  • Họ không sản xuất chip cho các công ty khác (điều này đang thay đổi nhanh chóng)
  • Có ba loại IDM– Bộ nhớ (ví dụ: Micron, SK Hynix), Logic (ví dụ: Intel), analog ( TI, Thiết bị analog )
• Họ có "nhà máy" riêng của họ nhưng cũng có thể sử dụng xưởng đúc
  • Họ sử dụng Chip IP và Phần mềm thiết kế điện tử để thiết kế chip của họ
  • Họ mua Thiết bị chế tạo wafer và sử dụng vật liệu và hóa chất chuyên dụng
• Chi phí trung bình để sản xuất một con chip tiên tiến mới (3nm) hiện là 500 triệu đô la

Xưởng đúc chip

• Các xưởng đúc sản xuất chip cho những người khác trong “nhà máy” của họ
• Họ mua và tích hợp thiết bị từ nhiều nhà sản xuất khác nhau
  • Thiết bị chế tạo wafer và vật liệu, hóa chất chuyên dụng
• Họ thiết kế các quy trình độc đáo bằng cách sử dụng thiết bị này để sản xuất chip
• Nhưng họ không thiết kế chip
• TSMC tại Đài Loan là công ty dẫn đầu về logic, Samsung đứng thứ hai
• Các nhà máy khác chuyên sản xuất chip cho tín hiệu tương tự, điện, rf, màn hình, an ninh quân sự, v.v.
• Phải tốn 20 tỷ đô la để xây dựng một nhà máy sản xuất chip thế hệ mới (3nm).

• Fabs là viết tắt của nhà máy chế tạo – nhà máy sản xuất chip
• Các nhà sản xuất thiết bị tích hợp (IDM) và Foundries đều có nhà máy. Sự khác biệt duy nhất là họ sản xuất chip để người khác sử dụng hoặc bán hay tự sản xuất để bán.
• Hãy nghĩ về Fab tương tự như một nhà máy in sách (xem hình bên dưới)

1. Giống như một tác giả viết một cuốn sách bằng trình xử lý văn bản, một kỹ sư thiết kế một con chip bằng các công cụ tự động hóa thiết kế điện tử
2. Một tác giả ký hợp đồng với một nhà xuất bản chuyên về thể loại của họ và sau đó gửi văn bản đến một nhà máy in. Một kỹ sư chọn một nhà máy phù hợp với loại chip của họ (bộ nhớ, logic, RF, analog)
3. Nhà máy in mua giấy và mực. Nhà máy sản xuất mua nguyên liệu thô; silicon, hóa chất, khí
4. Nhà máy in mua máy in, máy ép, máy đóng sách, máy cắt. Nhà máy mua thiết bị sản xuất wafer, máy khắc, máy lắng đọng, máy in thạch bản, máy thử, máy đóng gói
5. Quy trình in ấn cho một cuốn sách sử dụng in thạch bản offset, quay phim, tách, bản thiết kế, làm bản in, đóng sách và cắt. Các con chip được sản xuất trong một quy trình phức tạp thao tác các nguyên tử bằng cách sử dụng máy khắc, lắng đọng, in thạch bản. Hãy nghĩ về nó như một bản in offset ở cấp độ nguyên tử. Sau đó, các tấm wafer được cắt ra và các con chip được đóng gói
6. Nhà máy sản xuất ra hàng triệu bản sao của cùng một cuốn sách. Nhà máy sản xuất ra hàng triệu bản sao của cùng một con chip.

Nghe có vẻ đơn giản nhưng thực tế không phải vậy. Chip có lẽ là sản phẩm phức tạp nhất từng được sản xuất. Sơ đồ bên dưới là phiên bản đơn giản hóa của hơn 1000 bước cần thực hiện để tạo ra một con chip.

Lắp ráp và thử nghiệm bán dẫn thuê ngoài (OSAT)

• Các công ty đóng gói và thử nghiệm chip do các xưởng đúc và IDM sản xuất
• Các công ty OSAT lấy tấm wafer do các xưởng đúc sản xuất, cắt chúng thành từng con chip riêng lẻ, thử nghiệm chúng rồi đóng gói và vận chuyển đến khách hàng.

Các vấn đề Fab

• Khi chip trở nên dày đặc hơn (với hàng nghìn tỷ bóng bán dẫn trên một tấm wafer), chi phí xây dựng nhà máy đã tăng vọt - hiện tại là hơn 10 tỷ đô la cho một nhà máy sản xuất chip
• Một lý do là chi phí cho các thiết bị cần thiết để sản xuất chip đã tăng vọt
  • Chỉ một máy in thạch bản tiên tiến của ASML, một công ty Hà Lan, có giá 150 triệu đô la
  • Có khoảng hơn 500 máy trong một nhà máy (không phải tất cả đều đắt như ASML)
  • Tòa nhà chế tạo cực kỳ phức tạp. Phòng sạch nơi sản xuất chip chỉ là phần nổi của tảng băng chìm trong một hệ thống ống nước phức tạp cung cấp khí, điện, chất lỏng vào đúng thời điểm và nhiệt độ vào thiết bị chế tạo wafer
• Chi phí hàng tỷ đô la để duy trì vị trí dẫn đầu có nghĩa là hầu hết các công ty đã bỏ cuộc. Năm 2001, có 17 công ty sản xuất chip tiên tiến nhất. Ngày nay chỉ có hai công ty – Samsung ở Hàn Quốc và TSMC ở Đài Loan.
  • Vì Trung Quốc coi Đài Loan là một tỉnh của Trung Quốc nên điều này có thể gây ra vấn đề cho phương Tây.

Tiếp theo là gì – Công nghệ
Việc chế tạo những con chip có mật độ cao hơn, nhanh hơn và sử dụng ít điện năng hơn đang trở nên khó khăn hơn nhiều, vậy tiếp theo là gì?

• Thay vì để một bộ xử lý duy nhất thực hiện tất cả công việc, các nhà thiết kế chip logic đã đưa nhiều bộ xử lý chuyên dụng vào bên trong một con chip
• Chip nhớ hiện được làm dày đặc hơn bằng cách xếp chồng chúng lên nhau hơn 100 lớp
• Khi các con chip ngày càng phức tạp hơn trong thiết kế, nghĩa là các nhóm thiết kế lớn hơn và thời gian đưa sản phẩm ra thị trường lâu hơn, các công ty Tự động hóa thiết kế điện tử đang nhúng trí tuệ nhân tạo để tự động hóa một số phần của quy trình thiết kế
• Các nhà sản xuất thiết bị wafer đang thiết kế thiết bị mới để giúp các nhà máy sản xuất chip với công suất thấp hơn, hiệu suất tốt hơn, diện tích tối ưu trên chi phí và thời gian đưa ra thị trường nhanh hơn

Tiếp theo là gì – Kinh doanh
Mô hình kinh doanh của các Nhà sản xuất thiết bị tích hợp (IDM) như Intel đang thay đổi nhanh chóng. Trước đây, có một lợi thế cạnh tranh rất lớn khi được tích hợp theo chiều dọc, tức là có các công cụ thiết kế và nhà máy riêng. Ngày nay, đó là một bất lợi.

• Các xưởng đúc có quy mô kinh tế và tiêu chuẩn hóa. Thay vì phải tự mình phát minh ra tất cả, họ có thể sử dụng toàn bộ các cải tiến trong hệ sinh thái. Và chỉ tập trung vào sản xuất
• AMD đã chứng minh rằng có thể chuyển từ mô hình IDM sang mô hình xưởng đúc không có nhà máy. Intel đang cố gắng. Họ sẽ sử dụng TSMC làm xưởng đúc cho chip của riêng họ cũng như thiết lập xưởng đúc của riêng họ

Tiếp theo là gì – Địa chính trị
Kiểm soát hoạt động sản xuất chip tiên tiến trong thế kỷ 21 có thể cũng giống như kiểm soát nguồn cung dầu mỏ trong thế kỷ 20. Quốc gia kiểm soát hoạt động sản xuất này có thể kìm hãm sức mạnh quân sự và kinh tế của những quốc gia khác.

• Đảm bảo nguồn cung chip ổn định đã trở thành ưu tiên quốc gia. (Mặt hàng nhập khẩu lớn nhất của Trung Quốc tính theo đô la là chất bán dẫn – lớn hơn dầu)
• Ngày nay, cả Hoa Kỳ và Trung Quốc đều đang nhanh chóng cố gắng tách hệ sinh thái bán dẫn của họ khỏi nhau; Trung Quốc đang rót hơn 100 tỷ đô la tiền ưu đãi của chính phủ vào việc xây dựng các nhà máy sản xuất tại Trung Quốc, đồng thời cố gắng tạo ra nguồn cung cấp thiết bị sản xuất wafer và phần mềm tự động hóa thiết kế điện tử trong nước
• Trong vài thập kỷ qua, Hoa Kỳ đã chuyển hầu hết các nhà máy sản xuất của mình sang Châu Á. Ngày nay, chúng tôi đang khuyến khích đưa các nhà máy sản xuất và sản xuất chip trở lại Hoa Kỳ

Một ngành công nghiệp trước đây chỉ được các nhà công nghệ quan tâm thì giờ đây đã trở thành một trong những mảng lớn nhất trong cuộc cạnh tranh giữa các cường quốc.