Từ khi bắt đầu đại dịch đến nay, chúng ta đã nghe thấy nhiều thông tin về việc chuỗi cung ứng toàn cầu bị ảnh hưởng, đặc biệt là liên quan đến các ngành sản xuất và kho vận. Trong đó, về công nghệ, thời gian gần đây mọi người thường nhắc đến việc thiếu hụt bộ vi xử lý (chip) cho các thiết bị điện tử, gây ảnh hưởng to lớn đến các ông lớn trong mảng này. Đặc biệt nếu ai là fan hoặc đang sử dụng điện thoại Samsung, đều có thể đã nghe được việc một dòng điện thoại hàng đầu, cực kì nổi tiếng là Galaxy Note của năm 2021 đã không nằm trong kế hoạch ra mắt trong năm nay do bị ảnh hưởng bởi việc thiếu hụt số lượng bộ vi xử lý cần thiết. Vậy tại sao chúng ta lại không thể sản xuất nhiều bộ vi xử lý hơn để cung cấp cho thị trường đang háu đói này. Hãy cùng tìm hiểu một bài viết rất cô đọng được đăng tải trên trang Bloomberg bởi Ian King, Adrian Leung and Demetrios Pogkas. Bài viết gốc được đăng tại đây.
Sự thiếu hụt chất bán dẫn đang tác động cực lớn đến những nhà sản xuất ô tô và các ông lớn công nghệ, đưa ra những hồi chuông cảnh báo từ Washington đến Brussels rồi Bắc Kinh. Việc này đã đưa ra cho các nhà hoạch địch chính sách, người tiêu dùng cũng như nhà đầu tư một câu hỏi tất nhiên: Tại sao chúng ta không thể tăng sản lượng bộ vi xử lý?
Câu trả lời có thể là rất đơn giản nhưng cũng có thể là cực kì phức tạp. Phiên bản đơn giản chính là việc tăng sản lượng bộ vi xử lý là cực kì khó khăn – và nó sẽ ngày càng trở nên khó hơn.
Một trong những câu nói đùa trong ngành này thường nói đó là:
“Nó không phải là khoa học tên lửa – mà nó còn khó hơn nhiều.”
Phiên bản phức tạp của câu trả lời là việc xây dựng các cơ sở chế tạo chất bán dẫn cần hàng năm trời và hàng tỷ đô la. À thì… nghe có vẻ vẫn chưa phức tạp lắm.
Nhưng kể cả khi có đủ hai yếu tố đó, nếu chuyên môn sản xuất của bạn chỉ kém hơn đối thủ cạnh tranh một chút thôi, thì nền kinh tế cũng đủ tàn bạo để loại bạn ra khỏi guồng quay của nó. Nguyên Giám đốc của Intel Corp. là ông Craig Barrett từng gọi bộ vi xử lý của họ là những thiết bị tinh vi nhất từng được chế tạo bởi con người.
Các Bộ vi xử lý là những thiết bị tinh vi nhất từng được chế tạo bởi con người
Craig Barrett – Nguyên Giám đốc của Intel Corp.
Đây chính là lý do vì sao một khó khăn lớn mà các quốc gia đang phải đối mặt là việc tự chủ được nguồn bán dẫn. Trung Quốc đã coi việc độc lập về bộ vi xử lý là ưu tiên quốc gia trong kế hoạch năm năm mới nhất của họ, trong khi đó, Tổng thống J. Biden của Hoa Kỳ đã thề sẽ xây một chuỗi cung ứng nội địa để đảm bảo cho ngành này của họ. Đến cả EU cũng đang suy nghĩ các biện pháp để tự làm bộ vi xử lý cho mình. Nhưng như ta đang thấy, thành công là điều còn xa vời.
Việc sản xuất một bộ vi xử lý thường mất hơn ba tháng và liên quan đến rất nhiều các nhà máy khổng lồ, phòng không bụi (vô trần), những cỗ máy hàng triệu đô la, thiếc nóng chảy và tia la-de. Mục đích cuối cùng là để biến các miếng Silicon – nguyên tố được tách từ cát – thành một mạng lưới hàng tỷ các công tắc siêu nhỏ (bóng bán dẫn) để hình thành nên nền tảng cho mạch điện mà sẽ là trung tâm vận hành của một chiếc điện thoại, máy tính, ô tô, máy giặt hoặc một vệ tinh nhân tạo.
Rất nhỏ nhưng lại rất phức tạp
Đa phần các bộ vi xử lý được nhóm thành các mạch điện để chạy phần mềm, xử lý dữ liệu và điều hành các chức năng của các thiết bị điện tử. Sự sắp xếp các mạch điện này cho chúng các chức năng cụ thể.
Các công ty sản xuất bộ vi xử lý vẫn luôn cố gắng để xếp nhiều mạch bán dẫn hơn vào trong các con chip này để tăng hiêu năng và làm các thiết bị điện tử hiệu quả hơn, mạnh hơn. Bộ vi xử lý đầu tiên của Intel – số hiệu 4004 – được ra mắt vào năm 1971 chứa đựng chỉ 2,300 bóng bán dẫn với quy trình 10 mi-crô-mét, hay 1 phần 10 triệu của 1 mét. Tuy nhiên, vị thế độc tôn của Intel trong các thập kỉ kế tiếp đã kết thúc vào khoảng năm 2015 đến 2020 khi và các ông lớn khác như Công ty Sản xuất Bán dẫn Đài Loan (TSMC) và Điện tử Samsung bắt đầu phát triển các loại chip với mạch bán dẫn tốt hơn: với quy trình nhỏ đến 5 na-nô-mét, hay 5 phần tỷ của 1 mét (để tiện so sánh, trung bình cọng tóc người có chiều rộng 100,000 na-nô-mét.)
Sạch sẽ hơn cả một ca phẫu thuật
Trước khi đặt Silicon vào trong các máy móc sản xuất bộ vi xử lý, điều kiện tiên quyết là phải có một môi trường sạch sẽ. Cực kì sạch sẽ!!! Các bóng bán dẫn đơn lẻ nhỏ hơn một con virus rất nhiều lần. Chỉ một phần tử bụi thôi cũng có thể gây tai họa cho hàng triệu đô la, và các nỗ lực trước đó đổ bể. Để hạn chế rủi ro, các nhà làm chip cất chứa máy móc của mình trong các căn phòng không có một hạt bụi.
Mỗi phân tử bụi được tính là bất cứ thứ gì nhỏ hơn 200 na-nô-mét.
Để duy trì được môi trường như vậy, không khí được lọc liên tục và có rất ít người được cho phép ra vào. Nếu nhiều hơn 1 hoặc 2 công nhân xuất hiện trên một dây chuyền sản xuất chip – họ được bọc kín từ đầu đến chân trong các trang bị bảo hộ – thì chắc chắn là đang có vấn đề xảy ra. Những bộ óc đằng sau việc thiết kế và phát triển các bộ vi xử lý này thường làm việc cách đó rất xa.
Kể cả với những biện pháp như vậy, các miếng Silicon vẫn không thể bị tiếp xúc với bàn tay con người hoặc với không khí bên ngoài. Chúng được bảo quản trong các khay kín, được vận chuyển từ loại máy này sang loại máy khác bằng các rô-bốt chạy trên đường ray ở trên trần nhà. Chúng chỉ xuất hiện bên ngoài sự bảo hộ của các loại khay đó khi chúng đã yên vị trong máy và đang đến công đoạn sản xuất quan trọng.
Dây chuyền sản xuất cấp nguyên tử
Các con chip cất chưa đến khoảng 100 lớp nguyên liệu khác nhau. Chúng được lắp đặt vào, sau đó lược bỏ một phần để tạo ra các cấu trúc ba chiều phức tạp, tạo kết nối cho tất cả các bóng bán dẫn siêu nhỏ bên trong. Một vài trong số các lớp nguyên liệu này chỉ có độ dày tương đương với một nguyên tử. Các loại máy móc được sản xuất bởi Applied Materials Inc, Lam Research Corp, và Tokyo Electron Ltd. Xử lý rất nhiều công đoạn như nhiệt độ, áp suất, điện trường và từ trường, tạo điều kiện cho việc hoàn thiện bộ vi xử lý.
Một trong những bộ kiện khó khăn nhất của quá trình này là in thạch bản, là công đoạn được xử lý bởi các loại máy móc của ASML Holding NV. Các thiết bị này sử dụng ánh sáng để đốt tạo khuôn (đường nét) trên các nguyên liệu được lắp đặt trên miếng Silicon. Những khuôn này cuối cùng sẽ trở thành các mạch bán dẫn. Tất cả những điều này đều diễn ra trên phạm vi siêu nhỏ, nhỏ đến mức mà hiện tại chúng ta phải sử dụng tia sáng siêu cực tím, thứ thường chỉ tồn tại trên khoảng không vũ trụ. Để tạo ra nó trong môi trường kiểm soát, các máy của ASML bắn các giọt thiếc nóng chảy với một cú nháy tia la-de. Khi kim loại bốc hơi, nó phát xạ ra tia siêu cực tím cần thiết. Tuy nhiên, chỉ thế thôi thì vẫn chưa đủ. Các mặt gương được sắp đặt để tập trung các tia sáng đó thành một bước sóng mỏng hơn.
Gánh nặng kinh tế
Trách nhiệm nặng nề
Doanh thu cho các thiết bị được sử dụng trong dây chuyền sản xuất chip đã tăng gấp đôi kể từ năm 2015.
Các nhà máy chip hoạt động không ngừng nghỉ 24/7. Họ làm thế chỉ vì một lý do duy nhất: chi phí. Việc xây dựng một nhà máy cấp đầu vào, có thể sản xuất 50,000 miếng Silicon một tháng tốn khoảng 15 tỷ đô la. Phần lớn số tiền này được sử dụng trên các thiết bị chuyên dụng – một thị trường đã lần đầu tiên vượt ngưỡng 60 tỷ đô la doanh thu trong năm 2020.
Ngành công nghiệp của cá lớn
Riêng ba ông lớn Intel, Samsung và TSMC đã có doanh thu 2020 gần ngang bằng với 12 nhà làm chip đứng sau cộng lại.
Càng dấn thân sâu vào ngành, thì họ lại càng giỏi. Sản lượng – tỷ lệ thành phẩm của chip – chính là yếu tố đảm bảo quan trọng nhất. Bất kì con số nào dưới 90% đều là vấn đề. Thế nhưng các nhà làm chip chỉ có thể vượt qua được con số đó khi học những bài học đắt giá, hơn nữa là còn phải học đi học lại, và dần dần phát triển trên những kiến thức đó.
Sự tàn khốc của nền kinh tế trong ngành công nghiệp này đồng nghĩa với việc sẽ có càng ít công ty có đủ khả năng để bắt kịp hơn. Trong số 1.4 tỷ bộ vi xử lý điện thoại di động hàng năm, thì đa phần là được sản xuất bởi TSMC. Intel thì chiếm 80% thị phần chip máy tính. Samsung thì lũng đoạn phân khúc chip bộ nhớ. Nên việc chen chân vào thị trường này là điều cực kì khó khăn.