Cỗ máy trị giá 200 triệu USD được mệnh danh là ‘cứu tinh’ của ngành chip toàn cầu
ASML độc quyền chế tạo máy in thạch bản EUV, loại thiết bị in thạch bản tiên tiến nhất cần thiết để tạo ra mọi chip xử lý tiên tiến ngày nay.
Tại thị trấn Veldhoven, miền nam Hà Lan, gần biên giới với Bỉ, có một nhà máy duy nhất có khả năng lắp ráp một cỗ máy mang tính cách mạng, khiến các nhà sản xuất chip lớn nhất thế giới đều phải phụ thuộc vào.
In khắc cực tím EUV là bước đắt giá nhất trong việc tạo ra các con chip tiên tiến cung cấp năng lượng cho các trung tâm dữ liệu, ô tô và iPhone. Và công nghệ này hiện được sản xuất bởi duy nhất một công ty: Advanced Semiconductor Materials Lithography (ASML).
“ASML độc quyền chế tạo máy in thạch bản EUV, loại thiết bị in thạch bản tiên tiến nhất cần thiết để tạo ra mọi chip xử lý tiên tiến mà chúng ta sử dụng ngày nay”, Chris Miller, trợ lý giáo sư tại Trường Fletcher thuộc Đại học Tufts cho biết. “Những chiếc máy do họ sản xuất, mỗi chiếc đều nằm trong số những thiết bị phức tạp nhất từng được chế tạo”.
Công nghệ in tia cực tím (EUV) là một bước sóng ánh sáng cực ngắn mà ASML tạo ra với số lượng lớn để in các thiết kế nhỏ, phức tạp trên vi mạch. Ánh sáng EUV được tạo ra với những vụ nổ nhỏ thiếc nóng chảy xảy ra với tốc độ cực lớn và sau đó phản xạ lại những tấm gương Zeiss độc đáo mà ASML cho biết là “bề mặt phẳng nhất trên thế giới”. Một tỷ lệ phần trăm nhỏ các hạt ánh sáng EUV chạm tới bề mặt của tấm silicon, nơi chúng in ra các thiết kế nhỏ xác định những gì mỗi con chip sẽ hoạt động.
Nhu cầu đối với công nghệ EUV của ASML đã tăng cao trong thời kỳ thiếu chip toàn cầu, từ máy chơi game PlayStation 5 đến xe sedan Chevrolet Malibu. Giá cổ phiếu của công ty đã tăng vọt hơn 340% kể từ cuối năm 2018, khiến ASML thậm chí có giá trị hơn một số khách hàng hàng đầu của nó, chẳng hạn như Intel.
Giám đốc điều hành ASML Peter Wennink cho biết công ty đã góp phần giảm giá chất bán dẫn kể từ khi được thành lập cách đây 38 năm và sẽ tiếp tục làm như vậy “trong vài thập kỷ tới”.
Tuy nhiên, Wennink nói rằng sự thiếu hụt chip toàn cầu là một hoàn cảnh khó xử cho ASML.
“Chúng tôi nhận được rất nhiều tin nhắn từ các nhà cung cấp rằng: ‘Này, chúng tôi có thể sẽ chậm giao mô-đun của mình cho các bạn vì chúng tôi không thể lấy được chip’. Và chúng tôi nói: Nếu không thể có được chip, chúng tôi không thể máy móc để tạo ra nhiều chip hơn”.
Wennink cho biết ASML vẫn đang kiểm soát được tình hình “nhưng đó là một cuộc đấu tranh hàng ngày”.
ASML đã bán tổng cộng khoảng 140 hệ thống EUV trong thập kỷ qua, mỗi hệ thống hiện có giá lên tới 200 triệu USD, theo Wennink. Giá cho chiếc máy tiếp theo của họ, được gọi là High NA, sẽ là hơn 300 triệu USD.
Joanne Itow, giám đốc sản xuất tại Semico Research, cho biết máy EUV của họ “đắt đến nỗi hầu hết các công ty không thể mua được”. Bà nói: “Việc này chắc chắn đã loại bỏ rất nhiều người chơi ra khỏi thị trường”, bao gồm cả nhà sản xuất chip GlobalFoundries, công ty đã quyết định ngừng phát triển các chip tiên tiến hơn vì chi phí cao cách đây vài năm.
Ngày nay, ASML chỉ bán máy cho năm nhà sản xuất chip. Ba công ty lớn nhất – Công ty TSMC, Samsung và Intel – chiếm gần 84% hoạt động kinh doanh của mình vào năm 2021. TSMC cho biết vào năm 2019, họ là công ty đầu tiên cung cấp chip khối lượng lớn được sản xuất bằng EUV và họ đã đi trước các đối thủ kể từ đó, với công nghệ chip đi trước Samsung và Intel ít nhất một bậc.
Sự thống trị của ASML là một hiện tượng tương đối mới. Một thập kỷ trước, khả năng nghiên cứu EUV của công ty được quyết định bởi các khoản đầu tư lớn từ Intel, Samsung và TSMC.
Video đang HOT
“Chúng tôi không có tiề.n”, Wennink, người đã tham gia ASML vào năm 1999 cho biết. “Vì vậy, chúng tôi đã đi ra ngoài và tìm kiếm các đối tác, đó thực sự là nền tảng cho cách chúng tôi xây dựng công ty. Vì vậy, chúng tôi buộc phải trở thành một kiến trúc sư hệ thống và một nhà tích hợp hệ thống”.
ASML khởi đầu như một công ty con của tập đoàn điện tử khổng lồ Philips của Hà Lan vào năm 1984. Họ ra mắt máy in thạch bản bán dẫn đầu tiên – được phát minh trong một phòng thí nghiệm quân sự của Mỹ vào những năm 1950 – từ một nhà kho bị dột bên cạnh một tòa nhà văn phòng Philips ở Eindhoven, Hà Lan.
Đến năm 1988, ASML có 5 văn phòng ở Mỹ với 84 nhân viên và một văn phòng mới tại Hà Lan ở Veldhoven, nơi cuối cùng trở thành trụ sở chính của nó.
Miller, tác giả của cuốn sách “Chiến tranh chip: Cuộc chiến giành công nghệ quan trọng nhất thế giới” sắp ra mắt cho biết: “Khi ngành công nghiệp đã sẵn sàng để nhảy vào giai đoạn đầu của nghiên cứu EUV, không có công ty nào của Mỹ sẵn sàng lao vào một đề xuất đắt tiề.n và rủi ro, trong khi ASML làm như vậy. ASML là một công ty Hà Lan, nhưng nó cũng là một công ty Hà Lan phụ thuộc rất nhiều vào các linh kiện của Mỹ nói riêng cho máy móc của họ”.
Máy EUV được tạo thành từ một số mô-đun với hàng trăm nghìn linh kiện, từ gần 800 nhà cung cấp toàn cầu. Mỗi mô-đun được xây dựng tại một trong 60 địa điểm của ASML trên khắp thế giới và sau đó được chuyển đến Veldhoven để lắp ráp. Sau khi mỗi máy lắp ráp được kiểm tra, nó được tháo rời để vận chuyển cho một nhà sản xuất chip. Việc vận chuyển đòi hỏi 20 xe tải và ba chiếc Boeing 747.
Một quốc gia ASML sẽ không giao công nghệ EUV của mình là Trung Quốc.
Wennink cho biết: “Bốn mươi hai quốc gia trên toàn cầu đã đồng ý áp dụng các biện pháp kiểm soát xuất khẩu vì nó rất quan trọng. Vì vậy, đó không phải là lựa chọn của chúng tôi, mà là lựa chọn của các chính phủ”.
Kể từ năm 2018, chính quyền cựu Tổng thống Trump được cho là đã ép ASML không bán công nghệ EUV cho các công ty Trung Quốc.
ASML giao dịch với Trung Quốc ở một khía cạnh khác. Công ty tân trang lại các hệ thống in thạch bản cũ hơn, được gọi là tia cực tím sâu hoặc DUV và gửi nhiều hệ thống đó đến quốc gia đông dân nhất thế giới. Wennink cho biết 96% tất cả các máy ASML đã từng bán vẫn đang hoạt động.
Miller nói: “Có rất nhiều tranh luận về việc bán thiết bị DUV bổ sung cho Trung Quốc có phải là một rủi ro an ninh quốc gia hay không, bằng cách để Trung Quốc tăng cường khả năng sản xuất chất bán dẫn tiên tiến nhất. Tôi nghĩ rằng có một số khả năng là trong những năm tới, có những hạn chế mới được áp dụng đối với khả năng của ASML trong việc bán thiết bị DUV cho Trung Quốc”.
Trước EUV, các nhà sản xuất chip có thể mua máy in litô DUV từ ba công ty: ASML, Nikon và Canon. Trong khi Nikon, ở Nhật Bản, vẫn là một đối thủ cạnh tranh trên thị trường đó, ASML là lựa chọn duy nhất cho EUV. Các chuyên gia cho biết có thể mất nhiều thập kỷ để bất kỳ công ty nào khác bắt kịp, cả vì công nghệ độc quyền của ASML và vì nó được xây dựng phức tạp, thường là độc quyền, giao dịch với hàng trăm nhà cung cấp.
“Chúng tôi là duy nhất đối với một số khách hàng và một số nhà cung cấp là duy nhất đối với chúng tôi”, Wennink nói. “Và những mối quan hệ gần như cộng sinh đó, một số người nói, còn tệ hơn cả việc kết hôn vì bạn không thể l.y hô.n”.
Một cách ASML đã tự bảo vệ mình trước những rủi ro trong chuỗi cung ứng là mua một số nhà cung cấp của mình, chẳng hạn như Cymer ở San Diego, nơi sản xuất nguồn sáng EUV. ASML cũng đã mua lại Berliner Glas vào năm 2020. Mặc dù hỏa hoạn bùng phát tại địa điểm Berlin vào tháng Giêng, Wennink cho biết thiệt hại sẽ không ảnh hưởng đáng kể đến sản lượng của hệ thống trong năm nay.
ASML dự kiến tăng trưởng doanh số 20% vào năm 2022 và tăng trưởng doanh thu hàng năm là 11% cho đến cuối thập kỷ này.
Tất tật về phần mềm thiết kế chip EDA, mặt trận mới trong cuộc đối đầu công nghệ Mỹ-Trung
Không được tiếp cận các phần mềm thiết kế chip EDA tiên tiến, ngành sản xuất chip Trung Quốc gần như không thể bắt kịp các đối thủ trên thế giới.
Thời các con chip máy tính được thiết kế bằng tay đã qua lâu rồi. Đó là lúc mỗi con chip chỉ chứa vài nghìn bóng bán dẫn trong những năm 70 của thế kỷ trước, giờ đây chúng có thể chứa đến hàng trăm tỷ bóng bán dẫn, khiến việc thiết kế chip bằng tay trở nên bất khả thi. Đó là lý do cần đến những phần mềm tự động hóa thiết kế điện tử (Electronic Design Automation hay EDA software).
Không chỉ là một phần mềm đơn thuần, nó là một tập hợp các công cụ giúp các kỹ sư thiết kế và phát triển các con chip ngày càng phức tạp hơn.
Giờ đây bộ phần mềm này đang trở thành mặt trận mới nhất trong cuộc chạy đua công nghệ giữa Trung Quốc và Mỹ. Ngày 12 tháng 8 vừa qua, Bộ Thương mại Mỹ công bố lệnh kiểm soát xuất khẩu đa phương đối với các công cụ phần mềm EDA, nhằm ngăn Trung Quốc và hơn 150 quốc gia khác được tiếp cận chúng mà không có các giấy phép đặc biệt.
Vào những năm 70, khi mỗi con chip chỉ chứa vài nghìn bóng bán dẫn, các kỹ sư vẫn có thể thiết kế chip bằng tay và phân tích nó trên các tấm phim chụp này. (Ảnh chụp năm 1979)
Chỉ chiếm một phần nhỏ trong chuỗi cung ứng, nhưng phần mềm EDA lại không thể thiếu để tạo nên các con chip ngày nay. Và hầu hết thị trường này được kiểm soát bởi 3 công ty Phương Tây. Điều đó mang lại cho Mỹ một lợi thế mạnh mẽ - tương tự như việc hạn chế tiếp cận đối với các máy quang khắc trong sản xuất chip.
Tại sao phần mềm EDA này lại quan trọng đến thế và liệu Trung Quốc có thể phát triển một giải pháp thay thế hay không?
Phần mềm EDA là gì?
Phần mềm tự động hóa thiết kế điện tử là một phần mềm chuyên dụng trong sản xuất chip. Nó giống như phần mềm CAD mà các nhà kiến trúc thường sử dụng - ngoại trừ việc nó phức tạp hơn, khi nó phải xử lý hàng tỷ bóng bán dẫn cực nhỏ trên một mạch tích hợp.
Không có một phần mềm đơn lẻ nào được xem như kẻ thống trị tốt nhất trên thị trường. Thay vào đó, một loạt các module phần mềm thường được sử dụng trong toàn bộ quy trình thiết kế: thiết kế logic, sửa lỗi, sắp xếp các thành phần, đi dây, tối ưu thời gian và tiêu thụ năng lượng, xác minh bản quyền và nhiều điều khác nữa. Vì các con chip ngày nay đã trở nên quá phức tạp, mỗi bước lại cần một công cụ phần mềm khác nhau.
Phần mềm EDA quan trọng như thế nào đối với việc sản xuất chip?
Cho dù thị trường phần mềm EDA toàn cầu chỉ có giá trị khoảng 10 tỷ USD trong năm 2021 - chiếm một phần rất nhỏ trong toàn bộ thị trường bán dẫn toàn cầu trị giá 595 tỷ USD hiện nay - nó lại đặc biệt quan trọng đối với toàn bộ chuỗi cung ứng.
Ảnh chụp màn hình phần mềm EDA MAX_3D dành cho thiết kế chip
Theo Mike Demler, người có hơn 40 năm làm việc trong lĩnh vực thiết kế chip và EDA cho biết, có thể xem toàn bộ hệ sinh thái ngành bán dẫn như tam giác khổng lồ. Một góc là các hãng đúc chip, những công ty như TSMC, một góc khác là các công ty sở hữu các bản quyền trí tuệ như ARM, làm ra và bán các thiết kế chip có thể tái sử dụng và góc cuối cùng là các công cụ EDA. Cả ba cùng nhau đảm bảo chuỗi cung ứng được vận hành trơn tru cho toàn ngành bán dẫn.
Tưởng chừng các phần mềm EDA chỉ quan trọng đối với những hãng thiết kế chip, nhưng ngay cả các nhà sản xuất chip cũng cần đến chúng để xác minh xem một thiết kế có thể sản xuất được hay không. Các hãng đúc chip không có cách nào chỉ sản xuất thử một hai con chip đơn lẻ làm mẫu được - họ phải đầu tư nhiều tháng cho việc sản xuất thử và mỗi lần hàng trăm con chip sẽ được chế tạo. Đó sẽ là một sự lãng phí khủng khiếp nếu trong thiết kế có lỗi nào đó. Vì vậy, các nhà sản xuất chip cũng cần một loại phần mềm EDA đặc biệt để xác thực các thiết kế này.
Sự thống trị của người Mỹ đối với phần mềm EDA
Hiện tại chỉ có một vài công ty bán phần mềm cho từng bước của quy trình sản xuất chip và họ đã thống trị thị trường này từ nhiều thập kỷ nay. Ba công ty hàng đầu trong lĩnh vực này - bao gồm Cadence (Mỹ), Synopsys (Mỹ) và Mentor Graphics (của Mỹ những đã được hãng Siemens của Đức mua lại năm 2017) - kiểm soát đến 70% thị trường EDA toàn cầu.
Sự thống trị của họ lớn đến mức các startup về EDA khi nổi lên nhắm vào một thị trường ngách nào đó sẽ thường bán mình cho một trong ba công ty lớn này, củng cố hơn nữa vị thế độc quyền của họ.
Sự thống trị của các công ty Mỹ khiến chính phủ Mỹ dễ dàng siết chặt quyền tiếp cận của các công ty Trung Quốc. Những phần mềm bị hạn chế là các công cụ được sử dụng cho thiết kế chip kiến trúc GAAFET (gate-all-around field-effect transistor: bóng bán dẫn với cực cổng bao quanh). Đây được xem là kiến trúc mạch tiên tiến nhất hiện nay, đặc biệt quan trọng đối với việc tạo ra các chip mới nhất hiện nay cũng như trong tương lai.
Mới đây nhất, chính phủ Anh cũng vừa chặn một thương vụ thâu tóm hãng cung cấp phần mềm EDA của Anh có tên Pulsic, khi phát hiện ra người mua là công ty phần mềm thiết kế bán dẫn Super Orange HK Holding hóa ra lại có quan hệ với quỹ Phát triển Công nghệ Bán dẫn của Trung Quốc.
Trung Quốc sẽ bị ảnh hưởng như thế nào?
Trong ngắn hạn, Trung Quốc sẽ không bị tác động nặng nề bởi lệnh cấm này bởi vì các hãng đúc chip Trung Quốc cũng không đủ tiên tiến để tạo ra các con chip hiện đại dùng cấu trúc GAAFET. Nhưng trong dài hạn, điều này cũng có nghĩa các công ty thiết kế chip Trung Quốc không thể tiếp cận được các công cụ tiên tiến nhất và theo thời gian, rất có thể họ sẽ bị tụt lại phía sau.
Ngoài ra không giống như đối với lệnh cấm xuất khẩu máy quang khắc, việc chặn xuất khẩu phần mềm khó khăn hơn nhiều khi chúng được phân phối trực tuyến và có thể bị vi phạm bản quyền. Ngoài ra các công ty Trung Quốc cũng có thể tiếp tục sử dụng phần mềm EDA mà họ đã mua hoặc mua lại chúng thông qua các tổ chức trung gian. Điều đó khiến khó dự đoán mức độ hiệu quả của lệnh cấm vận này.
Hình ảnh kiết xuất 3D của một cell tiêu chuẩn trong con chip với 3 lớp kim loại được kết nối với nhau.
Trung Quốc có đang phát triển công cụ EDA?
Trung Quốc cũng đã nhận ra sự cần thiết phải phát triển giải pháp thay thế. Trong kế hoạch 5 năm lần thứ nhất gần đây. EDA được xem như công nghệ tiên tiến hàng đầu trong lĩnh vực bán dẫn mà Trung Quốc phải tạo đột phá. Điều này có nghĩa những công ty phát triển EDA của Trung Quốc như Huada Empyrean sẽ nhận được nhiều vốn đầu tư hơn từ chính phủ.
Bắt đầu nghiên cứu về EDA từ những năm 1980, Huada Empyrean là công ty hàng đầu Trung Quốc về phần mềm EDA, nhưng hiện họ chỉ chiếm khoảng 6% thị phần nội địa. Công ty cũng chưa thể phát triển toàn bộ quy trình thiết kế, nghĩa là sản phẩm của họ chỉ có thể thay thế một phần nhỏ trong số các công cụ của công ty Mỹ.
Nhiều startup khác của Trung Quốc cũng đang cố gắng lấp đầy khoảng trống này, hầu hết là do các cựu nhân viên người Trung Quốc của Candence hoặc Synopsys lãnh đạo - ví dụ như X-Epic và Hẹian Industrial Software. Theo giáo sư Douglas Fuller của Trường Kinh doanh Copenhagen, các startup này, với nhiều kinh nghiệm quốc tế hơn có thể trở thành sự thay thế tốt hơn cho Huada Empyrean.
Khi kiến trúc GAAFET được áp dụng cho các chip từ 3nm trở xuống, các phần mềm EDA là thành phần không thể thiếu để thiết kế nên các con chip này.
Trung Quốc có gặp khó khăn khi muốn thay thế phần mềm EDA?
Trung Quốc có một ngành công nghiệp phần mềm sôi động, nơi sản sinh ra các ứng dụng internet nổi tiếng thé giới như WeChat của Tencent và Alipay của Alibaba. Nhưng theo Xiaomeng Lu, nhà phân tích của hãng Eurasia Group: " Nhưng đối với phần mềm dành cho doanh nghiệp, sử dụng trong công nghiệp ư? Đây là nhược điểm của Trung Quốc. Trong một thời gian dài, các nhà hoạch định chính sách công nghiệp của Trung Quốc không nhận ra rằng (phần mềm EDA) chính là nút thắt thực sự."
Đó là lĩnh vực cần hàng chục năm phát triển và hàng tỷ USD đầu tư để đạt được các tiến bộ đáng kể. Vì vậy ngay cả khi các công ty Trung Quốc muốn bắt kịp đối thủ Mỹ, sẽ mất một thời gian dài trước khi họ đạt được tiến bộ nào.
Một vấn đề quan trọng là các tài năng. Phát triển công cụ phần mềm EDA là một lĩnh vực rất hẹp và các công ty Trung Quốc thường phải vật lộn trong việc thu hút các kỹ sư được đào tạo về EDA, thường chỉ chiếm một số lượng rất nhỏ
Mỹ lại thách thức tham vọng bán dẫn của Trung Quốc Các lệnh cấm xuất khẩu công nghệ sản xuất chip tiên tiến và động cơ tua-bin khí của Mỹ có hiệu lực từ ngày 15/8, trở thành rào cản mới đối với tham vọng bán dẫn của Trung Quốc. (Ảnh: East Asia Forum) Cục Công nghiệp và An ninh (BIS) thuộc Bộ Thương mại Mỹ đã công bố các biện pháp kiểm soát...