(Kỳ 1)
Trong tuyên bố chung về quan hệ Đối tác Chiến lược Toàn diện Việt – Mỹ hôm 10/9/2023, hai bên ghi nhận tiềm năng của Việt Nam trong việc trở thành quốc gia chủ chốt trong ngành công nghiệp bán dẫn, đồng thời “ủng hộ sự phát triển nhanh chóng của hệ sinh thái bán dẫn tại Việt Nam”. Vì sao trong một tuyên bố chung trọng đại, bước ngoặt trong quan hệ hai quốc gia, công nghiệp bán dẫn lại được quan tâm đặc biệt như vậy?
Chúng ta đều biết lịch sử cách mạng công nghiệp diễn ra đầu tiên với động cơ hơi nước thế kỉ 18, động cơ đốt trong và sử dụng điện ở thế kỉ 19, công nghệ bán dẫn từ thập niên 1960 thế kỉ 20, và ngày nay có thể là AI (trí tuệ nhân tạo). Như vậy, hiện bán dẫn vẫn đang là động lực chính dẫn dắt sự phát triển của nhân loại. Dưới góc nhìn của kinh tế kỹ thuật, công nghiệp bán dẫn là gì, nó có ý nghĩa gì đối với thế giới và đối với Việt Nam chúng ta. Và quan trọng nhất, Việt Nam đã làm gì và sẽ phải làm gì và làm thế nào?
Ảnh: istockBán dẫn và linh kiện bán dẫn
Thuật ngữ Semiconductor mà ta dịch là “bán dẫn”, Nhật và Trung Quốc dịch là “Bán đạo thể 半導体”, được A. Volta sử dụng lần đầu tiên vào năm 1782. Nói nôm na, bán dẫn là chất không dẫn điện như kim loại mà cũng không cách điện như điện môi. Nó có những tính chất vật lý đặc hiệu. Quan sát được ghi nhận đầu tiên về tính chất bán dẫn là của Michael Faraday (1833) khi đo độ dẫn điện của Ag2S (sunfua bạc) và thấy độ dẫn điện của chất này tăng theo nhiệt độ, ngược với độ dẫn điện của kim loại là giảm xuống khi nhiệt độ tăng lên. Ngoài tính chất đó, chất bán đẫn còn có nhiều tính chất vật lý thú vị khác, có thể dùng làm nhiều việc. Về sau người ta phát hiện rất nhiều vật liệu, đơn chất và hợp chất, vô cơ và hữu cơ, có tính chất tương tự và xếp chúng vào họ chất bán dẫn.
Để hiểu được tại sao lại có các tính chất như vậy thì phải nhờ đến kiến thức vật lý lượng tử, không dễ hiểu chút nào. Nhưng một cách thô sơ thì ta đều biết vật chất là do các nguyên tử hợp lại, nguyên tử cấu tạo bởi hạt nhân ở giữa tích điện dương (+) và đám mây các điện tử tích điện âm (-) quay xung quanh. Dẫn điện là do có điện tích tự do chạy. Điện tích thì có điện tích âm (-) và dương (+). Trong kim loại, ở bất kỳ nhiệt độ nào cũng có một số điện tử bứt khỏi hạt nhân thành điện tử tự do, không bị cấm đoán nào cả, ta gọi là vùng cấm (Band Gap, ký hiệu Eg) bằng không (tức Eg= Zero=0) và do đó nó luôn là dẫn điện bằng điện tử điện tích âm. Chất bán dẫn là chất mà trong nó có một ít điện tử muốn dứt ra khỏi hạt nhân thì phải có một năng lượng đủ để vượt qua một vùng cấm lớn hơn Zero (Band Gap Eg>0). Vì vậy ta có loại bán dẫn mà vùng cấm Eg tương ứng với năng lượng ánh sáng từ màu tím xuống đến hồng ngoại gần, điển hình và được sử dụng nhiều nhất là Ge, Si, A3B5, A2B6 (A, B là chỉ các nguyên tố hóa học cùng hàng, các con số chỉ số thứ cột trong bảng tuần hoàn các nguyên tố)… gọi là Bán dẫn thông thường. Cũng có loại bán dẫn mà Eg lớn hơn, tương ứng với ánh sáng ở vùng tử ngoại (UV) thấp đến tử ngoại cao như GaN, SiC, TiO2… gọi là bán dẫn vùng cấm rộng (WBG-Wide Band Gap). Trong các chất bán dẫn, bằng cách pha tạp chất thì có thể biến nó có thêm nhiều điện tử dễ tự do, khi đã vượt qua vùng cấm thì điện tử có thể di chuyển, ta có sự dẫn điện bằng điện tử điện tích âm, gọi là bán dẫn loại N (Negative=âm). Khi điện tử này vì một lý do nào đó bị bắt chặt (do tạp chất chẳng hạn) thì để lại một lỗ trống (một nút hạt nhân thiếu điện tử) mang điện tích dương (giống như bọt nước) cũng chuyển động được (thực ra là do điện tử bên cạnh nhảy vào, giống như bọt nước di chuyển thực ra vẫn là nước bên cạnh điền vào) như một giả hạt điện tích dương (+) chạy, ta gọi là Bán dẫn loại P (Positive= dương). Loại vật chất thứ ba, như các oxide chẳng hạn, thì có vùng cấm Eg vô cùng lớn, thà nóng đến tan chảy cũng không cho điện tử dứt ra, không thể dẫn điện được, gọi là Điện môi (Isolator). Hầu như các ứng dụng hiện nay của linh kiện bán dẫn là dựa trên những hiệu ứng kỳ diệu của lớp tiếp xúc giữa bán dẫn loại P với N (Bipolar = lưỡng cực), giữa Bán dẫn với kim loại (MS: Metal-Semiconductor) và giữa 3 lớp kim loại – Oxide-Bán dẫn (MOS: Metal-Oxide-Semiconductor).
Bóng Transistor bán dẫn bằng Germanium đầu tiên do William Shockley, John Bardeen, Walter Brattain của Bell Labs (Mỹ) phát minh năm 1947 (Nobel 1956). Tuy nhiên, cha đẻ của Transistor cùng cộng sự rời bỏ Bell Labs về California lập Công ty Shockley’s Transistor thì sập tiệm, chỉ thành công với tư cách là hạt giống đầu tiên nẩy mầm ra Silicon Valley ngày nay. Năm 1954, Texas Instruments cho ra đời Transistor bằng Silicon đầu tiên, tốt và ổn định hơn Ge nhiều. Akio Morita – nhà sáng lập Sony đã là người đầu tiên sử dụng bóng bán dẫn làm đài radio bỏ túi. Năm 1970, Intel sử dụng bóng bán dẫn tạo ra DRAM bộ nhớ động đầu tiên, mở đầu kỷ nguyên lưu trữ bán dẫn. IC được kỹ sư Đức Werner Jacobi tìm ra năm 1949 khi chế tạo một thiết bị khuếch đại giống với một mạch tích hợp, trong đó có 5 transistors Ge và được phát triển thành thiết bị trợ thính. Sau đó một thập kỷ, Jack Kilby (Mỹ) đã cho ra mắt chip IC (vi mạch) đầu tiên của thế giới (Nobel 2000). Với nguyên liệu từ Silicon, vi mạch này nhanh chóng vượt qua mạch tích hợp trước đây, đánh dấu một bước tiến lớn về vật lý. Sản phẩm bán dẫn ngày nay chủ yếu được sản xuất từ tấm silicon, nhưng cũng có một phần được làm từ GaAs (gali arsenide), GaN (gali nitrit) và SiC (silicon cacbide), tùy theo mục đích sử dụng nhất định. Sản xuất chất bán dẫn đòi hỏi nhiều loại hóa chất, khí và các loại thiết bị sản xuất khác nhau.
Jack Kilby (Mỹ) đã cho ra mắt chip IC (vi mạch) đầu tiên của thế giới (Nobel 2000). Với nguyên liệu từ Silicon, vi mạch này nhanh chóng vượt qua mạch tích hợp trước đây, đánh dấu một bước tiến lớn về vật lý.
Ba công đoạn chính liên quan đến việc sản xuất chất bán dẫn: (1) thiết kế; (2) chế tạo; và (3) lắp ráp, kiểm tra và đóng gói. Thuở ban đầu, các công ty được gọi là nhà sản xuất thiết bị tích hợp (IDM-Integrated Device Manufacturer) đã thực hiện cả ba công đoạn này. Tuy nhiên, với sự phức tạp ngày càng tăng của thiết kế và sản xuất, nhiều công ty bắt đầu chuyên môn hóa vào các bước khác nhau của quá trình. Một số công ty bắt đầu tập trung vào thiết kế chip và bắt đầu ký hợp đồng với các công ty khác để sản xuất thiết kế của họ. Việc lắp ráp, kiểm tra và đóng gói các thiết bị được thực hiện tại một công ty khác.
Chip DRAM đầu tiên của Intel năm 1970
Bộ nhớ dùng công nghệ lõi ferite năm 1960
Máy tính CDC6600 đã có sự nhảy vọt nhờ sử dụng Silicon Transistors (Transitor dùng vật liệu Silic)Các lĩnh vực của công nghiệp bán dẫn phân theo Quy mô thị trường (hằng năm, ví dụ năm 2021): Bán dẫn điện tử thông thường (~550 tỷ USD), Pin mặt trời (~100 tỷ USD), Bán dẫn vùng cấm rộng WBG (~1 tỷ USD) [(WSTS), 2021); (Yole Développement, 2021)]; Bài này chỉ giới hạn trong công nghiệp bán dẫn điện tử trên nền Silicon, là công nghiệp có công nghệ cao nhất, tinh vi và lớn nhất hiện nay.
Ngành công nghiệp bán dẫn
Đặc điểm và thị trường
Ngành công nghiệp bán dẫn mang tính toàn cầu và đang phát triển nhanh chóng. Xuất phát từ Mỹ với việc phát minh ra bóng bán dẫn vào năm 1947. Với các đặc thù là sự phức tạp của sản phẩm, đầu tư lớn (sản xuất) trình độ và năng suất lao động rất cao, kích thước sản phẩm nhỏ và trọng lượng nhẹ, cho phép các nhà sản xuất khai thác các lợi thế so sánh khác nhau của vùng lãnh thổ khác nhau. Kết quả là, các công ty bán dẫn thường là các doanh nghiệp đa quốc gia với các đơn vị sản xuất nằm rải rác trên khắp thế giới, ngày càng trở nên toàn cầu hóa; và lợi nhuận đang tăng lên. Tốc độ tăng trưởng dài hạn hằng năm của thị trường bán dẫn là 15%, với tốc độ rất cao và có chu kỳ rõ rệt. Theo báo cáo của Hiệp hội Công nghiệp bán dẫn, vào năm 2000 doanh thu chip bán dẫn toàn cầu mới là khoảng 300 tỷ USD, năm 2022 đã là khoảng 556 tỷ USD.
Sự phát triển của công nghệ bán dẫn
Sự phổ biến của hầu hết các công nghệ bán dẫn chính đã thay đổi đáng kể. Cuộc chiến từng diễn ra giữa công nghệ MOS (Chất bán dẫn oxit kim loại) và lưỡng cực p-n (bipolar). Bây giờ MOS đã thắng rõ ràng, với CMOS (Complementary MOS) chiếm được 80% thị phần. Không có công nghệ nào trong 25 năm qua chiếm ưu thế trên thị trường như CMOS hiện nay. Từ năm 2000, 90% linh kiện bán dẫn được chế tạo bằng CMOS. Mật độ tích hợp, tức là số bóng bán dẫn trên mm2, đã tăng liên tục, trung bình 35-50% mỗi năm trong 23 năm qua. Với việc cho rằng mật độ sẽ tăng gấp đôi sau mỗi 18 tháng, Định luật Moore là quy tắc hữu ích gần đúng để dự báo xu hướng công nghệ và sản phẩm mới.
Nhóm sản phẩm
Sản phẩm bán dẫn được phân loại thành các nhóm sản phẩm chính, chủ yếu theo tính chất của chúng. Nhóm sản phẩm lớn nhất là chip nhớ, chiếm khoảng 1/3 tổng số thị trường bán dẫn. Thị trường chip nhớ bao gồm DRAM, SRAM; ROM, EPROM, EEPROM và bộ nhớ Flash. DRAM và SRAM là những bộ nhớ “không vĩnh cửu” vì chúng mất nội dung đã nhớ khi tắt nguồn. Chúng chiếm khoảng 90% thị trường chip nhớ và chủ yếu được sử dụng trong máy tính. Tất cả những chip khác là những bộ nhớ “không mất”, tức là chúng giữ nội dung đã nhớ khi tắt nguồn.
Ngành chip nhớ ước tính sẽ tăng trưởng hơn 15% là phân khúc tăng trưởng nhanh nhất, năm 2021 đã tăng trưởng hơn 13%. Các sản phẩm bán dẫn như chip nhớ là xương sống và là điều kiện tiên quyết cho mọi nỗ lực trong các công nghệ mới nổi.
Nhóm sản phẩm bán dẫn lớn thứ hai là các vi mạch tổ hợp, chủ yếu bao gồm bộ vi xử lý (micro processor) và bộ vi điều khiển (microcontroller). Nhóm này chiếm khoảng một phần ba thị trường bán dẫn. Bộ vi xử lý là cốt lõi của máy tính và được hỗ trợ bởi các bộ phận khác. Các thiết bị như bộ nhớ, Bộ vi điều khiển là thiết bị độc lập thực hiện chức năng chuyên dụng hoặc máy tính nhúng, hoạt động trong một hệ thống điện tử tổng thể mà không cần sự hỗ trợ khác.
Phần còn lại của thị trường bán dẫn được tạo thành từ các thiết bị logic (bao gồm cả ứng dụng cụ thể của mạch tích hợp hoặc ASIC: Application-Specific Integrated Circuits), thiết bị tương tự và các bộ phận khác. Phân khúc chip logic và bộ nhớ nằm trong số những phân khúc tăng trưởng nhanh nhất với mức tăng trưởng hơn 10%. Ngành chip nhớ ước tính sẽ tăng trưởng hơn 15% là phân khúc tăng trưởng nhanh nhất, năm 2021 đã tăng trưởng hơn 13%.
Các sản phẩm bán dẫn như chip nhớ là xương sống và là điều kiện tiên quyết cho mọi nỗ lực trong các công nghệ mới nổi. Từ điện thoại thông minh dựa trên trí tuệ nhân tạo (AI) cho đến việc áp dụng Internet vạn vật (IoT), 5G hoặc lĩnh vực ô tô – không có gì mà không bị ảnh hưởng bởi linh kiện bán dẫn. Nhờ công nghệ bán dẫn và chíp bán dẫn nói riêng mà cuộc sống của người tiêu dùng thuận tiện và phong phú hơn và nó đã giúp doanh nghiệp hoạt động thông minh hơn, nhanh hơn và hiệu quả hơn.
Hình 1: Chuỗi giá trị cung ứng và những nhân tố chủ chốtChuỗi giá trị và cung ứng
Các công ty trong chuỗi giá trị bán dẫn hoạt động theo các quy trình và công nghệ khác nhau (như thiết kế, chế tạo và lắp ráp) nhằm đạt được hiệu quả kinh tế. Tuy nhiên, chưa có quốc gia hoặc lãnh thổ nào đạt được quyền tự chủ chiến lược hoàn toàn trong ngành này. Rất nhiều các công ty của Mỹ không có nhà máy đúc chip, tức là chế tạo chip (Fabrication gọi tắt là FAB) tại chỗ, mà phải dựa vào các xưởng chế tạo chip ở Đài Loan để sản xuất chip. Các công ty kiểu này gọi là FABLESS.
Chưa có quốc gia hoặc lãnh thổ nào đạt được quyền tự chủ chiến lược hoàn toàn trong ngành công nghệ bán dẫn. Sự phức tạp về công nghệ và nhu cầu về quy mô đã dẫn đến sự xuất hiện của một số lượng lớn “tay chơi” với mô hình kinh doanh tập trung vào một lớp cụ thể của chuỗi giá trị bán dẫn.
Ngược lại, các Fab lại dựa vào thiết bị, hóa chất và tấm silicon từ Mỹ, Nhật Bản và châu Âu. Do đó, sự phức tạp về công nghệ và nhu cầu về quy mô đã dẫn đến sự xuất hiện của một số lượng lớn “tay chơi” với mô hình kinh doanh tập trung vào một lớp cụ thể của chuỗi giá trị bán dẫn (Hình 1) [1].
Các “tay chơi” chính trên thương trường Bán dẫn [2]
TSMC (TSM) của Đài Loan và Samsung Electronics của Hàn Quốc là những FAB lớn nhất, đóng góp vào hơn 70% thị trường sản xuất bán dẫn. TSMC là nhà sản xuất chip hiện đại hàng đầu có quy trình công nghệ dưới 10 nanomet, trong khi Samsung dẫn đầu thị trường chip nhớ. Intel thống trị thị trường cả thiết kế lẫn FAB, sản phẩm chính là CPU máy tính để bàn và máy tính xách tay. Nvidia (NVDA), Qualcomm (QCOM), Broadcom (AVGO), Advanced Micro Devices (AMD) là một số công ty nổi tiếng của Mỹ chuyên thiết kế chip. Riêng AMD cũng có cả FAB. Các công ty Nhật Bản và Hàn Quốc sản xuất phần lớn các tấm bán dẫn.
Hình 2: Các Cty lớn nhất, tính theo doanh số 2020 đơn vị tỷ USDCuộc chiến công nghệ Mỹ với Trung Quốc và tác động của chúng đến ngành bán dẫn
Căng thẳng giữa Mỹ và Trung Quốc có thể dẫn đến sự chia rẽ giữa hai nền kinh tế. Mỹ đang phát triển các chiến lược mới để ngăn mình tụt hậu hơn nữa so với Trung Quốc trong lĩnh vực sản xuất chip khi căng thẳng thương mại tiếp tục gia tăng. Trong vài năm qua, cả hai nước đã dựa vào nhau vì Trung Quốc phụ thuộc nhiều vào công nghệ chip có nguồn gốc từ Mỹ và Chính phủ Mỹ sử dụng chế độ kiểm soát xuất khẩu của mình để hạn chế tiến bộ công nghệ của các công ty Trung Quốc. Chính sách “Nước Mỹ trên hết” của cựu Tổng thống Trump, sau đó là cuộc chiến thương mại Mỹ-Trung đã kêu gọi tách rời để giảm sự phụ thuộc vào chuỗi cung ứng có trụ sở tại Trung Quốc của Mỹ.
Xu hướng thay đổi trong sản xuất chip của Mỹ
Trong nhiều năm, Mỹ luôn dẫn đầu trong việc phát triển các sản phẩm chip mới như GPU và bộ vi xử lý. Tuy nhiên, đất nước này đang mất dần vị thế về mặt sản xuất chip. Sản xuất chất bán dẫn có vai trò quan trọng trong việc duy trì vị trí dẫn đầu về kỹ thuật trong các vấn đề về chuỗi cung ứng và từ góc độ kinh tế. Theo Hiệp hội Công nghiệp Bán dẫn Mỹ (SIA) [3], tỷ lệ công suất nhà máy sản xuất tấm bán dẫn được lắp đặt tại Mỹ trên toàn thế giới từ mức 19% vào năm 2000 đã giảm xuống 12% vào năm 2020. Mỹ đã chứng kiến sự sụt giảm về số lượng nhà máy và công suất mới trong những năm qua, Intel và các công ty sản xuất chip khác của Mỹ đang tụt hậu xa về công nghệ xử lý so với các đối thủ châu Á là Samsung và TSMC.
Những bước phát triển đầy hứa hẹn để Mỹ lấy lại lợi thế trong lĩnh vực sản xuất chip
Mỹ nhận thấy sự cần thiết phải xây dựng thêm nhiều nhà máy trong nước sau hậu quả của hoạt động sản xuất chip và các bước đang được thực hiện để tăng cường khả năng cạnh tranh về mọi mặt. Các công ty có trụ sở tại Mỹ tiếp tục dẫn đầu thị trường về thiết kế chip, về công cụ EDA (Electronic Design Automation-Công cụ phần mềm tự động thiết kế điện tử), về thiết bị chế tạo và các quy trình đặc biệt. Một số phát triển đáng chú ý trong lĩnh vực này bao gồm: Chính phủ Mỹ đã đạt được thỏa thuận với Công ty Sản xuất Chất bán dẫn Đài Loan (TSMC) để xây dựng một cơ sở tiên tiến mới nhắm mục tiêu sản xuất với công nghệ 5 nanomet ở Arizona.
Vào tháng 3/2021, Tập đoàn Intel (INTC) đã công bố ý định chuyển sang lĩnh vực kinh doanh FAB với kế hoạch xây dựng thêm hai nhà máy ở Arizona với khoản đầu tư 20 tỷ USD để cạnh tranh với Samsung và TSMC, đồng thời đầu tư 3,5 tỷ USD vào công nghệ đóng gói ở New Mexico. Ngoài ra Intel đã thành lập một tổ chức mới để phát triển các thiết kế dựa trên chiplet (Chiplet là thuật ngữ dùng để chỉ những con chip được cấu thành từ nhiều khối khác nhau, nó giống như các khối Lego vậy).
Trong nhà máy của Intel. Nguồn: Intel
Nhà máy sản xuất chip của TSMC. Nguồn: TSMC
Samsung bắt đầu sản xuất chip 3 nanometer trước TSMC, kể từ tháng 6/2022. Nguồn: techcrunch.comCác ưu đãi của Mỹ có thể sẽ xoay chuyển tình thế
Các ưu đãi của liên bang [4] là chìa khóa cho hoạt động sản xuất nội bộ vì chi phí xây dựng và vận hành nhà máy ở Mỹ đắt hơn 25-50% so với các địa điểm thay thế. Việc chính quyền Biden nhấn mạnh vào việc tăng cường đầu tư vào lĩnh vực này sau khi tình trạng thiếu chip ô tô liên quan đến đại dịch làm trầm trọng thêm lo ngại về việc phải phụ thuộc vào các nhà sản xuất công nghệ quan trọng nước ngoài. Một số ưu đãi trong lĩnh vực này bao gồm:
Dự luật gần đây của Đạo luật Cạnh tranh và Đổi mới Mỹ (USICA) [5] được Thượng viện thông qua cung cấp 52 tỷ USD cho hoạt động sản xuất chất bán dẫn trong nước như một phần trong nỗ lực rộng lớn hơn nhằm giành được sự độc lập về chuỗi cung ứng công nghệ khỏi các công ty Trung Quốc.
Nguồn tài trợ mạnh mẽ cho Đạo luật “Tạo ra các khuyến khích hữu ích để sản xuất chất bán dẫn” (CHIPS) có thể sẽ giúp nước này xây dựng năng lực bổ sung cần thiết để có chuỗi cung ứng linh hoạt hơn.
Dự luật gần đây của Đạo luật Cạnh tranh và Đổi mới Mỹ (USICA) được Thượng viện thông qua cung cấp 52 tỷ USD cho hoạt động sản xuất chất bán dẫn trong nước như một phần trong nỗ lực rộng lớn hơn nhằm giành được sự độc lập về chuỗi cung ứng công nghệ khỏi các công ty Trung Quốc.
Theo Đạo luật CHIPS, Mỹ cho phép cung cấp tới 3 tỷ USD cho các công ty xây dựng hoặc nâng cấp cơ sở bán dẫn trong nước Mỹ.
Sự thiếu hụt chip toàn cầu đã thúc đẩy công suất của ngành bán dẫn
Theo Fitch Ratings, tình trạng thiếu chất bán dẫn toàn cầu và nhu cầu về vi mạch ngày càng tăng có thể sẽ thúc đẩy dòng tiền từ hoạt động của các xưởng chips (FAB) cũng như các công ty gia công lắp ráp và thử nghiệm (OSAT- Outsourced Semiconductor Assembly and Test.) vào năm 2021. Các công ty FAB như TSMC và Samsung có thể sẽ là những người hưởng lợi chính từ nhu cầu chip mạnh mẽ, vì họ sẽ được hưởng quyền tự định giá. TSMC với thị phần trên 50% trong ngành FAB có thể sẽ đạt mức tăng trưởng doanh thu 10-15% trong khoảng 2020-2025. Ngoài ra, tăng trưởng doanh thu của các công ty OSAT có thể sẽ tăng trưởng đáng kể từ năm 2021 do nhu cầu chip cao hơn sẽ thúc đẩy nhu cầu về dịch vụ lắp ráp và thử nghiệm. Sự thiếu hụt chip cũng có thể dẫn đến xu hướng tăng theo chu kỳ đối với các IDM (integrated device manufacturer) lớn như Intel (INTC), Texas Instrument (TXN), Advanced Micro Devices (AMD) hoặc Fabless lớn như Nvidia (NVDA).
Những thách thức chính
Ngành công nghiệp bán dẫn phân bố không đồng đều và bị chi phối bởi một số quốc gia, chủ yếu là Mỹ, Đài Loan, Hàn Quốc, Nhật Bản, Trung Quốc và châu Âu. Không có khu vực nào có toàn bộ dây chuyền sản xuất trên lãnh thổ của mình. Theo SIA, 57% vật liệu bán dẫn, 56% chế tạo tấm bán dẫn và 70% bộ nhớ đến từ các nước châu Á. Mỹ dẫn đầu về tự động hóa thiết kế điện tử (EDA), logic, thiết bị digital và tương tự. Sự phụ thuộc lẫn nhau sâu sắc này khiến bất kỳ quốc gia nào khó có thể duy trì vai trò lãnh đạo trong toàn bộ chuỗi giá trị toàn cầu. Đài Loan chiếm 92% sản xuất chất bán dẫn tiên tiến với công nghệ nhỏ hơn 10 nanomet. Căng thẳng thương mại hiện nay giữa Mỹ và Trung Quốc có thể sẽ ảnh hưởng đến hoạt động sản xuất chip ở Đài Loan. TSMC, nhà sản xuất chip theo hợp đồng lớn nhất thế giới, gần đây đã nêu ra trong báo cáo thường niên rằng cuộc chiến thương mại giữa hai nước có thể tăng giá cao hơn hoặc hạn chế khả năng tiếp cận các nguồn cung cấp chip cần thiết. Do TSMC nhận phần lớn nguồn cung từ Mỹ nên công ty có thể phải đối mặt với những thách thức trong việc tìm kiếm nguyên liệu thô cho sản xuất.
Kinh doanh thâm dụng vốn và thiếu kinh phí R&D
Việc chế tạo sản phẩm bán dẫn rất phức tạp và đi kèm với chi phí rất lớn. Các FAB và công ty OSAT có thể phải đối mặt với áp lực ngày càng tăng về chi phí vốn khi họ tiếp tục mở rộng sản xuất để giải quyết nhu cầu chip ngày càng tăng. Việc thành lập một xưởng đúc chip mới (FAB) có thể tiêu tốn khoảng 15 tỷ – 20 tỷ USD và đòi hỏi rất nhiều bí quyết sản xuất cũng như cơ sở hạ tầng mạnh mẽ để vận hành. Cơ sở vật chất phụ trợ để lắp ráp, đóng gói và thử nghiệm có thể tiêu tốn từ 5 tỷ USD đến 7 tỷ USD. Ngoài ra, các công ty còn phải đầu tư một phần đáng kể doanh thu của mình vào chi phí vốn và R&D. Theo báo cáo của SIA, thế giới cần đầu tư tổng cộng 3 nghìn tỷ USD vào R&D trong thập kỷ tới để bắt kịp nhu cầu ngày càng tăng. Tổng chi tiêu cho R&D trong toàn ngành đã lên tới 92 tỷ USD vào năm 2019. Samsung, TSMC và Intel là một trong những nhà đầu tư lớn nhất vào chip.
Tóm lại, ngành công nghiệp bán dẫn đã sẵn sàng cho sự tăng trưởng đáng kể trong năm 2021 và sau sự phục hồi sau thời kỳ suy thoái theo chu kỳ. Những biến đổi công nghệ như không dây 5G, trí tuệ nhân tạo, Internet vạn vật, điện toán đám mây và học máy đang thúc đẩy nhu cầu dài hạn cho ngành công nghiệp chip. Nguồn tài trợ và ưu đãi ngày càng tăng của chính phủ vẫn là chìa khóa cho sự tăng trưởng vượt bậc của nó trong tương lai. □
(Còn tiếp)
——————————-
Tài liệu tham khảo:
1. Semiconductor Supply Chain Report – Final. U.S. Department of Energy Response to Executive Order 14017, “America’s Supply Chains” February 24, 2022
2.https://www.
3. SEMICONDUCTOR INDUSTRY ASSOCIATION SIA-2022-Factbook_May-2022.pdf
4. White House, Fact Sheet: Biden-Harris Administration Bringing Semiconductor Manufacturing Back to America, (Jan. 21, 2022), accessed June 23, 2022,
5. https://www.whitehouse.gov/
GS.TS Trần Xuân Hoài, Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam
(Kỳ 2)
Nhìn toàn cảnh lịch sử phát triển của ngành công nghệ bán dẫn với đầy đủ đặc điểm riêng có của nó, chúng ta đều dấy lên một câu hỏi: Việt Nam thực sự có cơ hội để tham gia chuỗi giá trị này không?
Một kỹ thuật viên bán dẫn cầm tấm wafer trong nhà máy sản xuất bán dẫn.
TƯƠNG LAI VỚI CÁC NƯỚC TRÊN THẾ GIỚI VÀ VỚI VIỆT NAM
a) Ví dụ với nước Đức
Thật khó mà nói trước được về cái ngành công nghiệp bán dẫn đối với một nước hàng đầu châu Âu. Tốt nhất ta hãy xem người trong cuộc nói gì đối với tương lai ngành này ở nước Đức văn minh. Đây là tóm tắt ý kiến trao đổi giữa phóng viên báo Der Spiegel (Đức) với giám đốc điều hành J. Huang của NVIDIA, công ty Fabless lớn và mạnh nhất của Mỹ về thiết kế các chip cho ngành Trí tuệ nhân tạo (ông này người Mỹ gốc Đài Loan) đăng trên báo này vào ngày 15/7/2023: Ngành công nghiệp bán dẫn là nhu cầu tất yếu cho an ninh quốc gia. Chúng ta [phương Tây] sẽ tiếp tục ứng xử một cách hài hòa và thận trọng với việc gìn giữ nó. Mục tiêu của chỉ thị của Chính phủ Mỹ là phải bảo đảm cho nền công nghiệp của phương Tây phải tiếp cận được những công nghệ mạnh nhất. Điều ấy [con chip] đã đạt được rồi. Nhưng có thể sẽ không bảo vệ được trước bước tiến triển của AI. Vì chính con chip thì không chứa sẵn trí tuệ nhân tạo. Trí tuệ nhân tạo được làm với phần mềm – và phần chủ yếu, lớn nhất lại là phần mềm về công nghệ AI mà ngày nay nó là nguồn mở, nghĩa là tất cả mọi người đều có thể tiếp cận được. Bởi vậy việc bảo vệ chip sẽ không cản được bước tiến của Trung Quốc. Các chính phủ trên toàn thế giới vung ra hàng tỷ USD để thu hút hay giữ lại ngành chế tạo chip. Đấy là chủ nghĩa bảo hộ cổ điển. Trọng điểm của các luật ở châu Âu và Mỹ nhằm vào việc đa dạng hóa chuỗi cung ứng và làm cho nó có sức kháng cự mạnh hơn. Dĩ nhiên Đạo luật Chip (Chips-Act) của Mỹ sẽ góp phần tăng đầu tư cho ngành sản xuất chip ở Mỹ.
Ở châu Âu, Chính phủ Đức dự kiến hỗ trợ 10 tỷ USD cho nhà máy duy nhất của Intel đặt ở Magdeburg. Việc châu Âu tự sản xuất chất bán dẫn dễ hiểu và có thể biện minh được. Nhưng sản xuất chip là một công việc khó và cần nhận được nguồn đầu tư lớn và lâu dài. Các doanh nghiệp ở Đức đang bối rối, không biết tình hình sẽ tiếp tục ra sao và lo sợ trong bước phát triển công nghệ sẽ bị phụ thuộc vào bên ngoài. Hãy quan sát tình trạng hiện nay: Ngay trẻ em khi dùng ChatGPT đã có thể từ đấy xây nên một ứng dụng thật sự thông minh. Rào ngăn tiếp cận phần mềm thông minh thấp đến mức khó tin. Vậy là ngay cả những doanh nghiệp nhỏ cũng có thể áp dụng các kỹ năng AI để hiện đại hóa công việc của mình. Rất đáng phấn kích chứ! Nói thì dễ hơn là làm. Trong 20 năm qua, châu Âu đã phụ thuộc rất nhiều vào kỹ thuật-công nghệ Mỹ. Bùng nổ AI thậm chí còn gia tăng ưu thế này chăng? Mỹ dẫn đầu trong công nghệ máy tính. Và công nghiệp bán dẫn gắn chặt với nó. Nhưng các ngành sẽ hưởng lợi từ thời đại trí tuệ nhân tạo sẽ là ngành nghiên cứu dược phẩm, giao thông vận tải, công nghiệp nặng. Nhiều doanh nghiệp dẫn đầu thế giới ở các ngành này đang nằm ở châu Âu. Vậy là AI vẫn sẽ mang lợi cho châu lục này. Về mặt đó chẳng còn nghi ngờ gì nữa.
Nhưng lo ngại của người Đức là sau này công nghiệp Đức sẽ chỉ còn có thể cung cấp vỏ thép, vỏ máy, turbine gió hay các turbine thủy điện – nhưng sẽ phải nhập cái ruột, cái não thông minh cho các máy đó từ California.
b) Với Việt Nam
Chúng ta thấy sự lo lắng của nước Đức, nền kinh tế mạnh nhất châu Âu, đối với sự phát triển của công nghiệp bán dẫn ở nước họ. Vậy với một Việt Nam còn đang khá lạc hậu thì sao nhỉ ? Tại Hội nghị cấp cao Việt Nam – Mỹ về đầu tư và đổi mới sáng tạo ngày 11/9, Thủ tướng Phạm Minh Chính cũng đề xuất một số tập đoàn như Intel, Amkor, Marvell phát triển hệ sinh thái và tiến tới cùng đối tác Việt Nam hợp tác nghiên cứu phát triển, thiết kế sản phẩm bán dẫn.
Trong tuyên bố chung về quan hệ Đối tác Chiến lược Toàn diện Việt – Mỹ hôm đó, hai bên ghi nhận tiềm năng của Việt Nam trong việc trở thành quốc gia chủ chốt trong ngành công nghiệp bán dẫn, đồng thời “ủng hộ sự phát triển nhanh chóng của hệ sinh thái bán dẫn tại Việt Nam”. Tuyên bố nhắc đến kế hoạch khởi động các sáng kiến phát triển nguồn nhân lực bán dẫn, trong đó Chính phủ Mỹ sẽ cấp khoản tài trợ gieo mầm ban đầu trị giá 2 triệu USD, cùng với các khoản hỗ trợ từ Chính phủ Việt Nam và khu vực tư nhân trong tương lai.
Ngày 11/9, Chính phủ Việt Nam đưa ra yêu cầu trên tại Nghị quyết phiên họp thường kỳ tháng tám. Các phòng thí nghiệm công nghệ bán dẫn có thể được giao cho đại học, viện nghiên cứu vận hành. Thực ra, khoản tiền 2 triệu USD hứa hẹn không nhiều nhặn gì. Còn nhớ khoảng 15 năm trước, ta đã đầu tư hàng trăm triệu USD cho nhiều phòng thí nghiệm trọng điểm, trong đó có một phòng thí nghiệm trọng điểm liên quan tới công nghệ bán dẫn trị giá hơn 4 triệu USD tại Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam. Do nhiều lý do bất cập trong đầu tư cho nên đầu tư ở Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam thì lớn gấp đôi hỗ trợ từ Mỹ cho cả nước nhưng chẳng có tác dụng gì cả, kể cả đào tạo đội ngũ và bây giờ thì quên mất rồi.
Thực tế, Việt Nam đã quan tâm và có những bước đi khá căn bản về bán dẫn từ những năm đầu thập kỷ 60 thế kỷ trước. Lúc đó, tại bộ môn vật lý chất rắn của trường Đại học Tổng hợp Hà Nội, giáo sư Đàm Trung Đồn là người đầu tiên xây dựng tổ chuyên môn vật lý bán dẫn và bắt đầu các nghiên cứu về linh kiện bán dẫn Germanium (với mẫu Ge do chuyên gia Liên Xô giúp). Lứa cán bộ khoa học đầu tiên về bán dẫn đã được đào tạo từ đây, ra trường vào quãng 1962-1964. Một số sau đó được tiếp tục đào tạo mức cao hơn ở Liên Xô, Đức, Tiệp Khắc, Hungary và hàng trăm sinh viên sang đó học tập ngành này.
Nay đã đến lúc nghĩ đến tham gia vào Thiết kế và Chế tạo chiếm đến hơn 90% giá trị sản phẩm. Tự Việt Nam thì chắc chưa thể nào làm được nhất là lĩnh vực chế tạo (FAB), dù có nhiều tiền và nhiều người đến mấy. (Chắc là không thể làm được như chế tạo ô tô của Vinfast). Vì vậy thì phải tìm mọi cách để có được nhà đầu tư FDI trong hai lĩnh vực này.
Sau 1973, Mỹ ngừng ném bom miền Bắc, một phòng thí nghiệm (với thiết bị của phe xã hội chủ nghĩa) khá đồng bộ về bán dẫn đã được xây dựng tại Viện Vật lý và đã chế tạo ra hàng loạt Transistor Silicon bằng công nghệ Planar-Epitaxi hiện đại nhất lúc bấy giờ ở quy mô phòng thí nghiệm. Sau đó, quân đội cũng nhảy vào lĩnh vực bán dẫn, với sự dồn sức đầu tư khá lớn của nhà nước, dùng thiết bị của Pháp và Tây Âu. Trên cơ sở đó nhà máy bán dẫn Z181 đã được thành lập vào năm 1979. Những người trong ngành coi đây là khởi đầu của lĩnh vực công nghiệp bán dẫn Việt Nam. Nên nhớ rằng Samsung đã nhảy vào lĩnh vực bán dẫn năm 1974, và chế ra Transistor bằng Silicon đầu tiên cùng thời với Viện Vật lý và lập nhà máy chỉ trước Z181 có năm năm, lúc đó Hàn Quốc còn rất nghèo. Tuy nhiên, khi nhà máy Z181 dừng sản xuất đầu những năm 1990, công nghiệp bán dẫn của Việt Nam coi như lụi tàn. Còn Hàn Quốc với Samsung làm đầu tàu đã trở thành cường quốc về công nghiệp bán dẫn trên thế giới. Lý do vì sao thì ai cũng biết. Khoảng vài năm gần đây, tại Việt Nam đã có dấu hiệu muốn khôi phục trở lại ngành này. Đã xuất hiện vài nhóm ở TP.HCM và Hà Nội, cả tư nhân và nhà nước, khởi động vài công việc nghiên cứu thiết kế chip, nhưng kết quả chủ yếu là để quảng bá, thu hút tài trợ của nhà nước và nhà đầu tư, thực tế không mấy sáng sủa, nói nhiều hơn làm. Tất nhiên có đóng góp chút ít về đào tạo nhân lực nhưng rất khiêm tốn. Điểm sáng duy nhất là nhà máy OSAT, một FDI của Intel ở TP.HCM. Nhà máy đóng gói và kiểm định của Intel tại TP. HCM đã xuất xưởng hơn ba tỷ chip. Hệ sinh thái doanh nghiệp nằm trong chuỗi cung ứng của nhà máy Intel cũng từng bước được hình thành. Dù biết rằng giá trị công đoạn OSAT chỉ chiếm 6% giá trị của sản phẩm bán dẫn, chúng ta không nên đánh giá thấp vai trò của việc đóng gói và kiểm định. Khi so sánh với thế hệ trước, quá trình sản xuất vi xử lý mới phức tạp hơn rất nhiều. Nay đã đến lúc nghĩ đến tham gia vào Thiết kế và Chế tạo chiếm đến hơn 90% giá trị sản phẩm. Tự Việt Nam thì chắc chưa thể nào làm được nhất là lĩnh vực chế tạo (FAB), dù có nhiều tiền và nhiều người đến mấy. (Chắc là không thể làm được như chế tạo ô tô của Vinfast). Vì vậy thì phải tìm mọi cách để có được nhà đầu tư FDI trong hai lĩnh vực này. Nếu người Việt Nam chịu khó học hỏi và nhà đầu tư FDI có thiện chí lan tỏa thì hy vọng sau độ chục năm, người Việt có thể thay thế trên 50% chuyên gia quốc tế.
Cận cảnh quá trình chế tạo bo mạch tại dây chuyền sản xuất.
Hình 3: Giá thành thiết kế một con chip SoC (như GPU,CPU) tăng hàng năm theo thế hệ công nghệ (đơn vị triệu USD)1
Ngay bây giờ Việt Nam cũng nên mạnh dạn tự bước vào lĩnh vực thiết kế, xây dựng các công ty FABLESS để học hỏi, đào tạo đội ngũ. Thật khó để tính xem đội ngũ này cần có những gì để có hướng đào tạo. Tuy vậy, chúng ta thử phân tích một ví dụ cụ thể đã thành công của người đi trước. Năm 2021, đại Công ty IBM đã công bố khá chi tiết việc ra đời một chip dành cho Trí tuệ nhân tạo (AI) mà theo đánh giá của Forbes thì đây là một thành quả mở đường cho công nghệ AI phát triển rộng rãi2: A 7-nm Four-Core Mixed-Precision AI Chip With 26.2-TFLOPS Hybrid-FP8 Training, 104.9-TOPS INT4 Inference, and Workload-Aware Throttling. Con chip này chứa khoảng 2 tỷ transistors, diện tích 600mm2. Đầu não để thiết kế nên con chip này gồm 43 tác giả (nên biết, thường mỗi tác giả này trung bình có ~ 5 đệ tử). Nhóm tác giả là một tập hợp nhà khoa học Mỹ có gốc quốc tế: Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Nhật, Hàn, Việt Nam, Trung Quốc, Đài Loan, Ấn Độ… Trong 43 người thì có 30 tiến sĩ, 13 thạc sĩ với các chuyên môn khác nhau: 5 vật lý, 2 toán, 1 hóa, 1 khoa học vật liệu, 1 cơ khí, 33 tác giả còn lại là thuộc các ngành kỹ thuật điện, điện tử, khoa học máy tính. Cũng nên biết rằng số tiến sĩ được các đại công ty tuyển dụng là loại đặc biệt, tài năng thực sự, làm ra kết quả thật cho công ty, vì họ thường được trả lương gấp 3-5 lần các tiến sĩ khác không làm trong các công ty công nghệ cao (có người chắc là dựa trên thực tế ở Mỹ, không phải ở Việt Nam đâu, phỏng đoán trong hàng trăm tiến sĩ, không tính tiến sĩ lĩnh vực khoa học xã hội và nhân văn, may ra có một tiến sĩ thuộc loại đó. May sao Việt Nam cũng có một tiến sĩ loại đó trong nhóm bộ não này, vốn được đào tạo kỹ sư và thạc sĩ tại ĐHBK Hà Nội). Nói là thiết kế nhưng không phải như thiết kế đường sá, nhà cửa, Thiết kế bán dẫn FABLESS phải chi phí rất lớn. (Xem hình 3). Một con chíp như ví dụ trên cũng mất năm, sáu năm, tiêu tốn cỡ 300 triệu USD. Trong đó chỉ riêng cho nhân lực khoảng 150 triệu USD. Không hề ngạc nhiên vì lương trung bình của một nhà thiết kế chip gấp ba, bốn lần lương Tổng thống Mỹ (khoảng 200.000 USD/năm) là chuyện bình thường.
Qua thí dụ trên đây, chúng ta có thể mường tượng Việt Nam nên đào tạo nhân lực cho ngành thiết kế chip như thế nào. Không có một ngành công nghệ cao nào lại phụ thuộc nhiều vào những con người sáng tạo trình độ cao như ngành bán dẫn. Nếu chỉ trả lương cho nhà thiết kế Việt Nam bằng lương Tổng thống Mỹ, và nhân lực Việt thay thế được khoảng 1/2 nhân lực ngoại thì thiết kế mỗi con chip thế hệ 7nm ước tiết kiệm được khoảng 50 triệu USD. Một con số không nhỏ! Nhân lực thiết kế chip phải là những bộ óc tài năng từ nhiều lĩnh vực chuyên môn khác nhau, với một điều kiện bắt buộc là sử dụng thành thạo công nghệ thông tin như là một công cụ. Vì vậy, thật kỳ lạ khi có trường đại học Việt Nam tuyên bố sẽ mở ngành đào tạo sinh viên thiết kế chip. Cho đến nay trên thế giới chẳng có đâu có thể mở được một ngành đào tạo như vậy.
Nhân lực thiết kế chip phải là những bộ óc tài năng từ nhiều lĩnh vực chuyên môn khác nhau, với một điều kiện bắt buộc là sử dụng thành thạo công nghệ thông tin như là một công cụ. Vì vậy, thật kỳ lạ khi có trường đại học Việt Nam tuyên bố sẽ mở ngành đào tạo sinh viên thiết kế chip. Cho đến nay trên thế giới chẳng có đâu có thể mở được một ngành đào tạo như vậy.
Tuy nhiên cũng đừng ngại, vì cũng có những thứ rẻ hơn và dễ thực hiện hơn mà các công ty vừa và nhỏ có thể khởi sự, ví dụ thiết kế chip ở thế hệ cũ trên 28nm chẳng hạn, tạo ra những con chip chuyên dụng (ASIC’s) hay dùng FPGA để tạo chip logic bằng phần mềm. Đầu tư dưới chục triệu USD cùng vài chục nhân sự là khởi nghiệp được, và không loại trừ sẽ phát triển thành nhà cung cấp một số chip cho ô tô, vũ khí, y tế và thiết bị dân dụng. Các công ty châu Âu, Trung Quốc và Nga hiện cũng đa phần thuộc loại này.
Sinh viên ĐH Khoa học Tự nhiên (ĐHQG TPHCM) trong giờ nghiên cứu vi mạch. Nguồn: Hanoimoi.
Còn nhớ năm 1987, tôi có cơ hội làm việc ở Ford Research Lab ở Detroit (Michigan, Mỹ). Ông giám đốc dẫn tôi xem dây chuyền sản xuất linh kiện bán dẫn dùng cho ô tô của hãng, hiện đại còn hơn của Nhật nhiều. Tôi có hỏi ông rằng “Cơ sở của ông hiện đại thế này, mà sao tôi thấy các linh kiện bán dẫn trên xe của các ông lại hầu hết của Nhật Bản?”. Ông cười trả lời: “Chúng tôi có đầy đủ tất cả từ thiết bị đến kỹ sư, công nhân, nhưng chúng tôi tạm thời chưa mua được một người đủ giỏi (ý nói là một tổng công trình sư) để làm ra sản phẩm tốt, rẻ, chạy ổn định bất kể là ở Sahara hay Nam cực, đủ cạnh tranh với Nhật”. Vâng, con người đủ tài năng và phẩm chất là quan trọng nhất. Tài năng như thông minh, học hỏi nhanh, sáng tạo tốt… thì Việt Nam còn có thể đào tạo, trong trăm người có được một vài người là tốt rồi, nhưng phẩm chất và thái độ đối với công việc để con người Việt Nam có thể trở thành một nhà thiết kế chip tốt e hơi khó. Về điểm này thì qua trải nghiệm bản thân tôi thấy người Việt thua kém người Nhật, Hàn, Đài Loan, Đức, Trung Quốc…
Viêc Chính phủ Mỹ tài trợ ươm mầm hai triệu USD cùng sự đầu tư của Chính phủ Việt Nam giúp xây dựng một số Phòng thí nghiệm Bán dẫn là một tin mừng cho giới công nghệ bán dẫn, vì đào tạo nhân lực và R&D là tối cần thiết cho ngành công nghiệp này. Theo tôi, các phòng thí nghiệm này nên giao cho các đại hoc công và tư có thực chất về chuyên môn và đào tạo. Ở trong Nam thì tôi không biết rõ, nhưng ở miền Bắc theo tôi nên giao cho Đại học Bách khoa HN (công) và ĐH Phenikaa (tư). Còn các đại học như FPT hay VinUni thì chắc là sẽ tự đầu tư nếu họ thấy cần thiết. □
—–
Chú thích
18798/synopsysai-aipowered-eda-suite-accelerates-chip- design-and-cuts-costs-#
2https://ieeexplore.ieee.org/document/9610618/authors# authors GS.TS Trần Xuân Hoài, Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam
