Đại gia công nghệ và cuộc chơi thiết kế chip

Việc các hãng công nghệ lớn tham gia vào việc thiết kế chip riêng không còn mới vì một khi phần mềm đã đạt tới giới hạn bão hòa trong việc khai thác các tài nguyên phần cứng phổ thông trên các dòng chip xử lý thông dụng hiện nay thì việc tối ưu phần cứng như 'đo ni đóng giầy' cho các nền tảng phần mềm và ứng dụng đặc thù của các hãng khổng lồ công nghệ là cách duy nhất để tăng tính cạnh tranh cũng như duy trì sự khác biệt trong các sản phẩm của họ. 

Một lý do không kém phần quan trọng khác là khi tham gia vào việc thiết kế chip họ sẽ thực sự làm chủ công nghệ và điều chỉnh phần mềm cho phù hợp nhất với các nguyên lý hoạt động của phần cứng, nhất là các phát triển liên quan tới AI thì ranh giới giữa phần mềm và phần cứng sẽ gần như được xóa nhòa. Tuy nhiên, cuộc chơi mới này của họ là cuộc chơi khá mạo hiểm và tốn kém.

Theo nghiên cứu của Nikkei Asia, các hãng khổng lồ công nghệ tham gia vào cuộc đua thiết kế chip được liệt kê trong bảng dưới đây:

Nguồn: Nikkei Asia Research

Trong trường hợp của Google, rõ ràng việc sở hữu năng lực tự thiết kế chip riêng hứa hẹn mang lại rất nhiều lợi ích. Đặc biệt, Google đang là một trong những nhà phát triển hệ điều hành quan trọng nhất thế giới. Hệ điều hành Android được sử dụng cho hầu hết các sản phẩm của các nhà sản xuất điện thoại thông minh hàng đầu hiện nay như Samsung, Xiaomi. Hệ điều hành Chrome cũng bắt đầu được các nhà sản xuất máy tính xách tay sử dụng như HP, Dell,... Với việc thiết kế các chip riêng, Google hoàn toàn làm chủ các tính năng tùy chỉnh riêng biệt mà chỉ có trên chip của Google hoặc họ có thể cung cấp các dịch vụ công nghệ độc đáo khác mà không bị phụ thuộc hay bị giới hạn vào các nhà cung cấp. Tuy nhiên, việc xây dựng chip có những thách thức mà không phải ai cũng có thể dễ dàng vượt qua.

Đầu tiên chúng ta hãy xem xét chi phí đầu tư cho việc phát triển chip hiện nay như thế nào? Báo cáo của IBS về chi phí thiết kế chip dựa trên các tiến trình công nghệ khác nhau được trình bày theo biểu đồ dưới đây.

Nguồn: IBS (International Business Strategies)

Theo IBS, chip sử dụng tiến trình công nghệ 5nm là cuộc chơi của hơn nửa tỷ USD đầu tư cho riêng công đoạn nghiên cứu phát triển chip. So với tiến trình công nghệ 28nm, chi phí này đã tăng gấp 10 lần và ngay cả với tiến trình công nghệ 28nm thì đây vẫn là con số mà không phải công ty nào cũng có thể dễ dàng bỏ ra. Khi độ phức tạp của chip bán dẫn tăng lên, nhu cầu về số lượng kỹ sư cao cấp tham gia dự án thiết kế chip sẽ tăng cao. Một dự án thiết kế chip phức tạp hiện nay có thể cần tới hơn 200 kỹ sư chất lượng cao thay vì 20 người như trước đây. 

Thêm nữa, khi Thung lũng Silicon cả suốt mấy thập kỷ qua đã quá chú trọng vào phát triển phần mềm mà sao lãng phần cứng, điều này đã làm tăng chi phí để tuyển dụng một kỹ sư thiết kế chip ở Mỹ. Tất cả các yếu tố này làm cho phần chi phí tiền lương cho các kỹ sư tham gia phát triển chip góp phần không nhỏ trong tổng chi phí của khâu phát triển chip.

Ngay cả khi các hãng công nghệ đình đám như Google sở hữu được khâu thiết kế chip thì cũng không thể nói họ hoàn toàn làm chủ được chuỗi cung ứng chip. Lý do là hiện nay chưa có một gã khổng lồ công nghệ nào có ý định tham gia công đoạn sản xuất chip vì nó quá đắt đỏ. Điều gì đã làm cho việc sản xuất chip lại trở nên đắt đỏ đến như vậy? Trong khi theo Định luật Moore nổi tiếng thì giá thành bóng bán dẫn phải ngày càng rẻ mới đúng.

Hãy bắt đầu với silicon, có thể nói Silicon chính là nguyên tố dồi dào đứng thứ hai trên vỏ trái đất (chiếm khoảng 28% chỉ đứng sau ôxy) khi có trong tất cả các loại đá, đất sét và cát của chúng ta. Điều này ngụ ý rằng chi phí sản xuất một con chip đáng lẽ phải cực kỳ rẻ. Một bao cát nặng 20 kg có giá chưa tới 5 USD có thể sản xuất ra 200 tấm wafer (mỗi tấm wafer nặng khoảng 100 gram) và mỗi tấm wafer có thể chứa hàng nghìn tới hàng chục nghìn con chip. Nhưng sự thật là chi phí cho một con chip hiện tại lên tới khoảng 200 USD. Lý do đầu tiên là việc tinh luyện ra tấm wafer thô từ bao cát 20kg ở trên là một quá trình rất công phu. 

Để sản xuất được chip trên tấm wafer thô thì tấm wafer đơn tinh thể silicon phải đạt được độ tinh khiết cực cao. Chi phí thiết bị và năng lượng dùng để luyện đơn tinh thể silicon rơi vào khoảng 500 USD cho mỗi tấm wafer. Nhưng 500 USD cho mỗi tấm wafer thô vẫn còn khoảng cách rất xa so với chi phí khoảng 17.000 USD cho một tấm wafer thành phẩm ở công nghệ 5nm (theo mô hình của CSET, một tấm wafer 300 mm thành phẩm cho tiến trình công nghệ 5nm có giá khoảng 16.988 USD).

Nếu kích thước của một chip phức tạp là ~600 mm2 thì chúng ta có thể ước lượng chi phí cho mỗi chip sẽ khoảng 238 USD (yield ~ 55%). Chi phí sản xuất chip này khá cao do nó đang phải sử dụng các kỹ thuật quang khắc rất đắt tiền. Các bạn hãy thử tưởng tượng, 5nm chỉ bằng chiều dài của khoảng 25 nguyên tử silicon mà thôi, do đó, máy quang khắc sử dụng cho tiến trình 5nm này ước tính lên tới 100 triệu USD cho một máy, và cần rất nhiều bước quang khắc để tạo ra chip sử dụng tiến trình 5nm.

Quy trình chế tạo transistor trường FET mức nana. Nguồn: Leti/Semiconductor Engineering

Một phần lớn chi phí khác là các thiết bị xử lý vật liệu, như máy plasma đốt cháy rất chính xác mọi thứ ra khỏi tấm wafer; thiết bị lắng đọng đặt các lớp vật liệu có bề dày cỡ nguyên tử lên tấm wafer; các lò nung được sử dụng để thu hút các nguyên tử ngoại lai vào cấu trúc tinh thể của silicon; và bộ cấy ion. Tất cả các thiết bị này đều rất đắt tiền, có giá hàng triệu hoặc thậm chí hàng chục triệu USD cho mỗi máy. Đó là lý do tại sao một nhà máy chế tạo wafer hiện đại cần tới 10 tỷ USD.

Giải bài toán nhân lực

Một thách thức khác đối với các gã khổng lồ công nghệ trong cuộc chơi mới này đó là họ cũng đang đối mặt với vấn đề thiếu hụt nhân tài ở cấp độ toàn cầu. Theo dự báo của nhiều tổ chức uy tín, quy mô thị trường bán dẫn vi mạch thế giới có thể lên tới 1.000 tỷ USD vào năm 2030 nhưng điều này chỉ thực sự trở thành hiện thực khi vấn đề thiếu hụt kỹ sư hiện nay được giải quyết. 

Trong lịch sử hơn 40 năm qua của ngành bán dẫn, chưa bao giờ chúng ta chứng kiến hình ảnh một tổng thống Hoa Kỳ cầm trên tay tấm wafer và nói về bán dẫn. Các chính phủ trên khắp các châu lục đều nói về vấn đề này nhưng thực tế là các bạn trẻ ngày nay học và tìm kiếm việc làm trong các công ty phát triển phần mềm dễ dàng hơn nhiều so với việc học và kiếm việc làm tại các công ty thiết kế sản xuất vi mạch bán dẫn. Nhưng sẽ rất nhanh thôi chúng ta sẽ nhận ra rằng các các phần mềm không thể tồn tại nếu thiếu chip.

Vấn đề thiếu hụt nhân sự thiết kế sản xuất chip sẽ không thể giải quyết ngay lập tức và quan trọng hơn vấn đề này cần sự hợp tác mang tính toàn cầu. Trong ngắn hạn đó là việc hợp tác giữa các cơ sở đào tạo và ngành vi mạch bán dẫn cho các hoạt động đào tạo nâng cao kỹ năng nhằm đa dạng hóa lực lượng lao động hiện có. Thành lập thêm các trung tâm nghiên cứu phát triển trong đó cung cấp các công cụ sẵn có để các công ty tổ chức có thể thu hút đào tạo nguồn nhân lực lành nghề đã nghỉ hưu trong các lĩnh vực vô tuyến, thủy lực, cơ khí, hàng không tham gia lĩnh vực này có thể là một ý kiến không tồi.

Các kỹ thuật viên giám sát một máy sản xuất tấm silicon 300mm tại Trung tâm Công nghệ Maydan thuộc Applied Materials Inc. ở Santa Clara, California (Ảnh: Bloomberg)

Song song với đó là triển khai các chương trình để ngay từ nhỏ các em bé làm quen với khoa học công nghệ, kỹ thuật ngay từ các cấp bậc học tiểu học để chuẩn bị nguồn nhân lực chất lượng cao cho sự phát triển của ngành trong dài hạn. Bên cạnh chi phí cao thì sự thiếu hụt nhân sự ngành cũng đang là trở ngại không nhỏ cho các hãng công nghệ tham gia cuộc chơi này.

Kết luận

Liệu có cách nào sản xuất bóng bán dẫn ngày càng rẻ hơn như thời kỳ hoàng kim của Định luật Moore không? Có thể tin hay không là tùy bạn, nhưng trong ngắn hạn điều này chắc chắn sẽ không xảy ra.

Vậy với chi phí đầu tư ban đầu bỏ ra phát triển chip là rất lớn và không thể làm chủ quá trình sản xuất, rõ ràng tự thiết kế chip là không kinh tế so với việc mua chip từ các đối tác khác, làm sao để các gã khổng lồ công nghệ có thể đối đầu với sự cạnh tranh đến từ các nhà phát triển chip truyền thống hàng đầu thế giới như Intel, Nvidia, Qualcomm,…?

Ngay cả trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo, thì áp lực đến từ các siêu chip (như chip của Celebras) cũng không hề dễ chịu. Chúng ta có thể không dự đoán được cuộc phiêu lưu kế chip riêng của các gã khổng lồ công nghệ sẽ dẫn tới điều gì nhưng chắc chắn là sự tham gia của họ sẽ đẩy nhanh những tiến bộ khoa học công nghệ trong lĩnh vực thiết kế chế tạo chip như những gì đã diễn ra vào nửa cuối của thế kỷ trước. Đây cũng có thể chính là thời cơ cho những nước đi sau như Việt Nam có thêm cơ hội để tham gia vào lĩnh vực bán dẫn vi mạch này./.