"Nếu ngành công nghiệp ôtô cũng phát triển nhanh chóng như ngành công nghiệp bán dẫn, một chiếc Rolls Royce sẽ đi được nửa triệu dặm (gần 805.000km) chỉ với một gallon (hơn 4,5 lít) nhiên liệu, và đi đến đâu bỏ xe luôn ở đấy sẽ còn rẻ hơn chi phí đỗ xe" - Moore từng có lần ví von, theo The New York Times.
Cây bút Andy Kessler của tờ Wall Street Journal gọi chip bán dẫn là "phát minh vĩ đại nhất kể từ khi con người biết dùng lửa và đi đường ống nước trong nhà". "Ta sẽ không thể nhận ra thế giới này nếu không có chip bán dẫn. Chúng bẻ cong đường đi của lịch sử, ảnh hưởng đến kinh tế, chính phủ và sự hưng thịnh của loài người nói chung" - Kessler viết.
Thật vậy, năng suất được giải phóng từ sức mạnh tính toán của những con chip làm từ silicon đã biến đổi mọi thứ trên đường đi của nó: bán lẻ, âm nhạc, tài chính, quảng cáo, du lịch, sản xuất, chăm sóc sức khỏe, năng lượng… "Thật khó tìm ra một thứ gì không bị phát minh của Kilby làm cho thay đổi" - Kessler nhận xét.
Jack Kilby tại phòng nghiên cứu của ông - Ảnh Texas Instruments
Thuật ngữ "vật liệu bán dẫn" dùng để chỉ một vật liệu - chẳng hạn silicon - có thể dẫn điện tốt hơn so với chất cách điện như thủy tinh nhưng lại không tốt bằng các chất dẫn điện như đồng hoặc nhôm. Chip chính là ứng dụng phổ biến nhất của vật liệu bán dẫn.
Chip bán dẫn thường được làm từ các lát silicon mỏng và sử dụng các transistor như "công tắc" để kiểm soát dòng điện.
Nhờ chip bán dẫn mà các thiết bị điện tử có thể xử lý, lưu trữ và tiếp nhận thông tin: chip bộ nhớ lưu trữ dữ liệu và phần mềm dưới dạng mã nhị phân, chip kỹ thuật số thao tác với dữ liệu dựa trên chỉ dẫn từ phần mềm điều khiển, còn chip không dây nhận dữ liệu từ máy phát vô tuyến tần số cao rồi chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện.
Tựu trung chúng đều hoạt động bằng cách "bật" hoặc "tắt" các transistor điều khiển dòng điện.
Kỹ sư thao tác với tấm wafer - Ảnh Taiwan Semiconductor Manufacturing Co Ltd
Để tạo ra một con chip bán dẫn, người ta bắt đầu với một lát mỏng silicon được gọi là wafer có kích thước khoảng bằng chiếc đĩa ăn. Nhà sản xuất thêm các nguyên tố như phôtpho và bor vào một lớp mỏng trên bề mặt silicon để tăng độ dẫn điện của chip.
Chính trong lớp phủ bề mặt này là nơi các transistor được tạo thành bằng cách lần lượt thêm các lớp mỏng kim loại dẫn điện, chất cách điện và nhiều silicon hơn, sau đó loại bỏ các lớp này một cách có chọn lọc bằng plasma.
Quy trình này tương tự như đắp tất cả nguyên liệu thành một khối thô rồi đẽo gọt các chi tiết cho ra tác phẩm điêu khắc hoàn chỉnh - việc này dễ hơn là cố gắng vẽ các chi tiết có kích thước siêu nhỏ trực tiếp lên chip. Bằng cách này, các nhà sản xuất chip bán dẫn có thể tạo ra những con chip chứa hàng chục tỉ transistor trên mỗi inch vuông.
Công nghệ sản xuất chip ngày nay đã tiến bộ nhiều so với nguyên mẫu thô sơ của Kilby, nhưng quan trọng nhất có lẽ là sự gia tăng theo cấp số nhân số lượng transistor có trên mỗi con chip. Ứng dụng thương mại sớm nhất của chip bán dẫn là máy tính toán bỏ túi được phổ biến rộng rãi vào những năm 1970.
Những năm gần đây, giới công nghệ nói nhiều về sự lỗi thời của định luật Moore khi việc tiếp tục thu nhỏ kích thước transistor dường như là nhiệm vụ bất khả thi do các giới hạn của vật lý.
Intel và Samsung đang sản xuất chip chứa các thành phần kích thước chỉ 7 nanomet, trong khi bán kính nguyên tử silicon là 0,2 nanomet. Kích thước nguyên tử và tốc độ ánh sáng là hai giới hạn cứng mà con người dù ao ước vẫn chưa thể vượt qua được.
GH100, dòng chip chuyên cho các trung tâm dữ liệu của NVIDIA, có 80 tỉ transistor. Ảnh: NVIDIA
Một giải pháp là thay thế các lớp phẳng 2D bằng công nghệ 3D với thiết kế hình vây cá giúp tăng số lượng transistor có thể nhét vừa trên một con chip, nhưng cấu trúc này khó sản xuất hơn rất nhiều so với chip truyền thống.
Một hy vọng khác là điện toán lượng tử không bị giới hạn bởi bit nhị phân (0 và 1), mà thay vào đó sử dụng bit lượng tử (qubit) dựa trên lý thuyết cơ học lượng tử của Schrödinger.
Máy tính lượng tử hoạt động rất nhanh nhưng chỉ có thể vận hành ở nhiệt độ xấp xỉ 0oK (khoảng - 273oC), không khả dĩ để ứng dụng thực tiễn trong các thiết bị hằng ngày như điện thoại thông minh hay tivi. Điện toán sinh học là một lĩnh vực hấp dẫn khác, với một số nghiên cứu đang tìm hướng tạo ra chip có khả năng mô phỏng cách ADN lưu trữ thông tin.
Dù là cách nào đi nữa thì nhân loại cũng đang rất cần một chất xúc tác mới cho cuộc cách mạng công nghệ tiếp theo. "Hãy cùng hy vọng truyền nhân của Jack Kilby đã bỏ qua kỳ nghỉ hè lần này" - Kessler viết dí dỏm.
Mặc dù công nghệ bán dẫn được sinh ra ở Mỹ, thậm chí còn được dùng để đặt tên Thung lũng Silicon trứ danh, ngày nay không có con chip siêu hiện đại nào được sản xuất trên đất Mỹ. Châu Á đã vươn lên thống trị lĩnh vực sản xuất chip thế nào, và nước Mỹ liệu có thể đưa ngành công nghiệp này hồi cố hương?
Ngày 9-8, Tổng thống Mỹ Joe Biden ký ban hành Đạo luật chip và khoa học (CHIPS Act), bao gồm một gói trợ cấp khổng lồ 280 tỉ USD dành cho sản xuất công nghệ cao và nghiên cứu khoa học; trong số này, có 52 tỉ USD dành riêng cho ngành chip nội địa.
Đạo luật mới, được cả lưỡng đảng ủng hộ, được thông qua nhằm đưa việc sản xuất chip - vật liệu tối quan trọng trong cuộc sống hiện đại - trở lại Mỹ, từ đó giảm phụ thuộc vào các nhà sản xuất châu Á. Nhưng việc sản xuất chip đã rời khỏi nơi nó được sinh ra từ khi nào và tại sao?
Năm 1990, Mỹ chiếm 37% nguồn cung chip toàn cầu, song con số hiện nay chỉ là 12%. 75% sản lượng chip thế giới đến từ châu Á - Nhật, Hàn Quốc, Đài Loan và Trung Quốc đại lục, theo một báo cáo hồi tháng 9-2020 của Hiệp hội Công nghiệp bán dẫn Mỹ.
Các công ty trong ngành công nghiệp bán dẫn có thể chia làm hai nhóm chính: (1) các IDM (nhà sản xuất thiết bị tích hợp) tự thiết kế và tự sản xuất chip; (2) các công ty fabless, chỉ thiết kế, phần sản xuất sẽ thuê ngoài. Các công ty chuyên sản xuất chip cho các công ty fabless gọi là foundry. TSMC (Đài Loan) và Samsung Electronics (Hàn Quốc) là hai foundry lớn nhất thế giới.
Theo CNBC, Mỹ tụt lại phía sau là vì thay đổi lớn trong ngành công nghiệp bán dẫn có sự thay đổi lớn: trong 15 năm trở lại đây, các công ty bắt đầu chuyển sang mô hình fabless - chỉ thiết kế và gửi cho các foundry làm giúp.
Bên trong nhà máy TSMC. Ảnh Taiwan Semiconductor Manufacturing Co Ltd
Nhiều công ty lớn của Mỹ ký hợp đồng với các nhà sản xuất châu Á vì chi phí vẫn rẻ hơn sản xuất trong nước. Intel, công ty chip lớn nhất Mỹ tính theo doanh số, là IDM điển hình hiếm hoi của Mỹ, khi sản xuất nội địa là chủ yếu, mặc dù cũng có nhà máy ở Ireland, Israel và cả Trung Quốc.
Ngược lại, sản phẩm cuối cùng của các công ty lớn khác như Nvidia (trụ sở Santa Clara, California), nhà sản xuất chip có giá trị thị trường lớn nhất Mỹ, chủ yếu đến từ các nhà máy ở nước ngoài.
Một foundry cần phải đầu tư hàng chục tỉ đôla Mỹ để xây dựng nhà máy và trang bị công nghệ cực kỳ đắt đỏ để sản xuất chip thuộc thế hệ kế tiếp.
"Năm 2001, có 30 nhà sản xuất cạnh tranh nhau trong nhóm dẫn đầu, nhưng khi việc làm chip ngày càng khó và tốn kém thì con số này giảm xuống chỉ còn 3 công ty (TSMC, Intel và Samsung)" - CNBC dẫn một báo cáo tháng 12-2021 của Ngân hàng Hoa Kỳ.
TSMC hiện là foundry nắm 55% thị phần toàn cầu, còn Samsung chiếm 18%, theo dữ liệu của Hãng Trendforce. Vì sao hai cái tên châu Á này lại nổi lên dẫn đầu? Trong bài "Vì sao ngày càng có ít chip "sản xuất tại Mỹ"" hồi tháng 11-2020, tờ Wall Street Journal cho biết:
Các chính phủ châu Á có nhiều ưu đãi tài chính để xây dựng ngành công nghiệp sản xuất chip nội địa, và ngoài ra, "các công ty chip cũng bị thu hút bởi mạng lưới các nhà cung cấp ngày càng lớn mạnh bên ngoài nước Mỹ, và một lực lượng lao động ngày càng phát triển gồm các kỹ sư lành nghề có thể vận hành máy móc đắt đỏ".
Neil Campling, trưởng bộ phận nghiên cứu công nghệ hãng quản lý đầu tư Mirabaud Securities, tán thành các quan điểm này khi trả lời CNBC: "Đài Loan và Hàn Quốc đã dẫn đầu trong việc sản xuất linh kiện bán dẫn - vốn đòi hỏi đầu tư vốn khổng lồ, và một phần thành công của họ trong hơn 20 năm qua là các chính sách hỗ trợ của chính quyền và khả năng tiếp cận lực lượng lao động có nghề".
Hỗ trợ về mặt chính sách lẫn tài chính từ chính phủ rõ ràng là cái nhiều cường quốc chip châu Á có mà Mỹ không có, cho đến khi Đạo luật chip và khoa học ra đời. CHIPS Act được kỳ vọng sẽ giải quyết được vấn đề đầu tiên - tiền đâu.
Theo Wall Street Journal, để xây dựng và vận hành một nhà máy chip vào loại hiện đại nhất - sản xuất chip để làm bộ vi xử lý cho máy tính - trong vòng 10 năm, cần hơn 30 tỉ USD.
Trong lịch sử, Mỹ không có chính sách khuyến khích cấp liên bang nào cho việc sản xuất chip, mặc dù một số bang có các hỗ trợ khác nhau cho việc xây nhà máy, chẳng hạn trợ cấp đất đai hoặc giảm thuế.
Giờ thì đạo luật mới sẽ giúp việc đầu tư hấp dẫn hơn, khi dành ra đến 39 tỉ USD để hỗ trợ tài chính trực tiếp cho các công ty xây nhà máy sản xuất chip trong nước. Một gói ngân sách 11 tỉ USD khác được dành cho việc thúc đẩy nghiên cứu sản xuất chip và đào tạo nhân lực. Bộ Thương mại sẽ phụ trách xét duyệt và phân bổ các khoản tiền này.
Về lý thuyết, hỗ trợ vốn từ chính phủ sẽ giúp giảm chi phí của việc làm chip ở Mỹ so với châu Á. Trước mắt, một số dự án ở Mỹ có thể tranh thủ được nguồn hỗ trợ này, chẳng hạn dự án nhà máy TSMC ở bang Arizona - cơ sở sản xuất chip tối tân đầu tiên ở nước ngoài của công ty Đài Loan này.
Cơ sở ở thành phố Chandler (bang Arizona, Mỹ) của Intel, nơi dự kiến có thể xây được tới 6 nhà máy fab đến năm 2024. Ảnh Intel
Bản thân Intel cũng đã công bố kế hoạch xây nhà máy nghiên cứu, phát triển và sản xuất chip trị giá 20 tỉ USD ở bang Ohio. Tổng đầu tư cho nhà máy này có thể lên đến 100 tỉ USD, biến nó thành nơi sản xuất silicon lớn nhất hành tinh, theo lời Tổng thống Biden và CEO Intel Pat Gelsinger tuyên bố hồi tháng 1-2022.
Nhiều người trong ngành đã bày tỏ hào hứng và kỳ vọng trước đạo luật mới. Maryam Rofougaran, CEO của start-up công nghệ 5G Movandi, cho biết đạo luật sẽ là nguồn cấp vốn bền vững và tin cậy cho các công ty như Movandi và "thúc đẩy vượt qua các giới hạn và tạo ra công nghệ của tương lai".
Nhưng cũng có người cho rằng phải tỉnh táo nhìn nhận rằng thật ra phía trước vẫn là chặng đường dài để Mỹ có thể cạnh tranh với các nhà sản xuất chip châu Á.
Theo CNBC, lý do là vì không phải lãnh đạo doanh nghiệp nào cũng quan tâm các con chip tối tân sản xuất ở đâu mà điều quan trọng với họ là nguồn cung phải ổn định.
"Các công ty cần mua chip đang tuyệt vọng tìm nhà sản xuất khác ngoài Đài Loan, và họ sẽ rất vui nếu nguồn cung đến từ chính nước Mỹ, nhưng ai cũng biết đây là cuộc chơi nhiều năm. Nguồn cung ổn định là điều quan trọng nhất" - Mike Jette, phó chủ tịch phụ trách công nghệ của hãng tư vấn và cung cấp phần mềm GEP, nói với CNBC.