Điều gì còn khó tìm hơn những con chip? Đó chính là thiết bị tạo nên chúng

Thế giới khao khát chất bán dẫn hay những con chip, nhưng không phải con chip nào cũng cần được sản xuất bằng công nghệ tiên tiến.

Có một cuộc đua âm thầm nhưng khốc liệt để tìm ra những chiếc máy cũ kỹ vẫn có thể tạo ra chip.

Stephen Howe là một nhà buôn đồ cổ đắt tiền, là đối tượng tìm tới ưa thích của nhiều khách hàng sành điệu và có túi tiền lớn đến từ hầu hết mọi quốc gia phát triển. Nhưng dù nhu cầu của người mua đã lên đến mức cao nhất trong lịch sử, nhưng ông không vui. Bởi các mặt hàng rất khan hiếm, khó tìm được để bán.

Howe mua và bán không phải đồng hồ hay ô tô cổ, mà ông buôn bán các thiết bị tạo ra các vi mạch, thứ gần đây đã trở nên rất khan hiếm. Những chiếc máy mà ông bán thường có tuổi đời ít nhất là 10 năm, bởi vì những nhà sản xuất chip có vốn hóa lớn như Samsung, Intel và TSMC có thể nắm giữ thiết bị chip mới trong khoảng mười năm. Nhưng chúng cũng có thể “già” hơn nhiều.

Sự thiếu hụt chip lớn vào năm 2020 và 2021 đã làm hạn chế khả năng sản xuất mọi thứ từ ô tô đến điện thoại thông minh của thế giới. Và theo nhiều nhà phân tích và nhà sản xuất chất bán dẫn, cũng như Howe, việc thiếu thiết bị đã qua sử dụng để sản xuất vi mạch là một lý do khiến tình trạng thiếu chip trở nên trầm trọng.

Thiết bị sản xuất chất bán dẫn bên trong nhà máy sản xuất của Onsemi ở Gresham, Oregon.

Chip là thứ mà chúng ta thường liên tưởng tới các công nghệ mới nhất và tuyệt vời nhất, nhưng hóa ra, hầu hết các chip nằm trong các sản phẩm chúng ta sử dụng hàng ngày đều được sản xuất bằng các kỹ thuật sản xuất cũ kỹ hơn. Không ai biết chính xác tỷ lệ vi mạch trên thế giới được sản xuất trên các thiết bị đã qua sử dụng là bao nhiêu, nhưng Howe, chủ sở hữu của SDI Fabsurplus, ước tính con số này có thể lên tới một phần ba.

Wayne Lam, giám đốc nghiên cứu của CCS Insight, một công ty tư vấn công nghệ, cho biết hơn một nửa doanh thu của ngành bán dẫn toàn cầu đến từ các loại chip cũ này. Điều này khá bất ngờ, mặc dù thực tế là những con chip riêng lẻ này rẻ hơn nhiều so với các bộ vi xử lý cao cấp, thứ vốn là “bộ não” của smartphone hay laptop. Một con chip xử lý máy tính xách tay của Intel tiên tiến và mới, có giá hàng trăm USD. Ngược lại, nhiều con chip thế hệ cũ này chỉ có giá vài USD, một số ít có giá một USD cả tá.

Những con chip sử dụng công nghệ hoàn thiện và hiện đại hơn sẽ được sử dụng trong máy ảnh hay cảm biến trong điện thoại và ô tô, hay các bộ xử lý điện tử, bộ điều khiển logic của máy móc trong nhà xưởng, hay các con chip cho phép giao tiếp không dây. Sự thiếu hụt những con chip này là nguyên nhân dẫn đến việc ngừng sản xuất ô tô hay việc Apple không thể đáp ứng nhu cầu người dùng đối với series iPhone 13 mới nhất.

Nhưng đại dịch Covid-19 không chỉ dẫn đến việc đóng cửa các nhà máy quan trọng đối với việc sản xuất và đóng gói các chip tiên tiến này, mà nó còn gây ra sự gia tăng nhu cầu đối với thiết bị văn phòng hỗ trợ làm việc từ xa tại nhà và các loại chip khác. Nhưng vấn đề không dừng lại ở đó.

Trong những năm qua, một xu hướng dài hạn – tức là nhu cầu về chip cho các thiết bị điện tử khác nhau ngày càng mở rộng và không thể đáp ứng được – đã khiến chuỗi cung ứng thiết bị ở phần cốt lõi nhất của chuỗi cung ứng chip luôn bận rộn và quá tải.

Howe đã nhận ra cơ hội và bắt đầu thành lập công ty của mình vào năm 1998. Ông nói rằng thông thường ngành công nghiệp bán dẫn sẽ trải qua các chu kỳ bùng nổ và phá sản, và những điều này sẽ lần lượt lấp đầy và sau đó làm trống các kho hàng của ông đặt tại Ý, Malaysia và Texas. Nhưng bắt đầu từ năm 2016, nhu cầu đối với cả thiết bị mới và đã qua sử dụng để sản xuất chip chỉ có một xu hướng, đó là tăng lên.

Theo Hassane El-Khoury, Giám đốc điều hành của Onsemi, một nhà sản xuất chất bán dẫn trong ngành công nghiệp ô tô có trụ sở tại Phoenix, bang Arizona, Mỹ thì sự gia tăng về nhu cầu đó có nguyên nhân một phần do sự phát triển của xu hướng “Internet of Things”.

“Không chỉ có rất nhiều thứ chúng ta mua ngày nay đều có gắn chip, mà một số thứ đó còn có nhiều chip hơn bao giờ hết”, El-Khoury cho biết.

Đối với Onsemi, giá trị của các vi mạch trong một chiếc xe điện có hệ thống hỗ trợ người lái cao gấp 30 lần giá thành của những con chip trong một chiếc xe chạy bằng xăng không có hệ thống này. Nhu cầu chip cũng xuất phát từ sự gia tăng phổ biến của các thiết bị di động và nhu cầu về việc cần nhiều máy chủ hơn – hay còn gọi là cơ sở hạ tầng điện toán đám mây – để hỗ trợ nó.

Trong quý II năm 2021, theo các dữ liệu có sẵn, thì các ngành công nghiệp bán dẫn đã bán nhiều chip hơn tại bất kỳ điểm nào trong lịch sử, theo Hiệp hội Công nghiệp bán dẫn.

Bên trong một cơ sở sản xuất của Onsemi. Ánh sáng vàng được sử dụng để ngăn cản sự tiếp xúc không mong muốn của vật liệu cảm quang với ánh sáng có bước sóng ngắn hơn.

Các nhà sản xuất chip đang tìm cách đáp ứng tất cả nhu cầu này bằng cách cam kết sản xuất nhiều chip hơn bao giờ hết. Nhưng việc tăng cường sản xuất các loại chip mà rất nhiều công ty cần ngay bây giờ là khó hoặc gần như không thể, vì một số lý do.

Một là việc mở rộng công suất của một xưởng sản xuất trong nhà máy sản xuất vi mạch thường mất nhiều tháng, ngay cả trong điều kiện tốt nhất. Bởi một phần do sự phức tạp tới mức “gần như không thể tin được” của việc chế tạo chip, ngay cả khi sử dụng những công nghệ “hơi cũ” hơn.

Việc tạo ra một con chip bằng công nghệ tiên tiến, trên những vòng tròn 12 inch bằng silicon tinh khiết, được gọi là “wafer”, đòi hỏi tia laser phải xử lý chính xác đến mức chúng cần tạo ra các tính năng trên vi mạch chỉ năm nanomet, tương đương độ dày bằng một phần tỷ mét hay lớn hơn một chút so với chiều rộng của một sợi DNA.

Và theo Jamie Potter, CEO của Flexciton, một công ty khởi nghiệp sản xuất phần mềm, thì những con chip này – bao gồm bộ vi xử lý mà Apple và Samsung hay quảng cáo bất cứ khi nào họ ra mắt điện thoại mới – có thể sẽ yêu cầu hơn 1.000 lượt thao tác qua các máy móc khác nhau trong một nhà máy sản xuất chip.

Và thậm chí việc sản xuất chip dựa trên công nghệ cũ, bao gồm các tấm wafer 8 inch và mạch điện dày hơn gấp nhiều lần, vẫn cần tới 300 lần đi qua loại máy này hay loại máy khác.

Mức độ phức tạp này có nghĩa là ngay cả khi một công ty khởi nghiệp hoặc nhà sản xuất chip ít kinh nghiệm có thể có được thiết bị sản xuất chip – Trung Quốc đã trợ cấp cho các nhà sản xuất chip loại này trong hơn một thập kỷ qua – thì họ cũng không thể sản xuất chip đủ tốt để tạo ra lợi nhuận. Ngay cả những nhà sản xuất chip tốt nhất cũng phải loại bỏ trung bình 10% số chip mà họ sản xuất, và để đạt được tỷ lệ thấp đó đòi hỏi phải có chuyên môn kỹ thuật đáng kể.

Nhu cầu đang tăng cao đối với các vi mạch ít phức tạp hơn, thứ được sản xuất bằng các tấm wafer 8 inch và các loại máy móc cũng có tuổi đời cao hơn.

Theo Howe, khi tình trạng thiếu chip ngày càng nghiêm trọng, các cuộc chiến đấu thầu cho các thiết bị đã qua sử dụng đã tăng lên theo chiều hướng xoắn ốc. Ví dụ, một chiếc Canon FPA3000i4, thiết bị in thạch bản được sản xuất vào năm 1995, được sử dụng để khắc mạch trong chip, trị giá khoảng 100.000 USD vào tháng 10/2014 thì ngày nay đã có giá 1,7 triệu USD.

Những người mua tiềm năng hiện đang đứng trước một lựa chọn khó khăn nếu họ muốn mở rộng năng lực sản xuất chip cũ hơn: hoặc trả mức giá cắt cổ cho thiết bị cũ, với giả sử rằng họ có thể tìm thấy nó; hoặc cố gắng lọt vào trong danh sách chờ mua thiết bị mới, thường kéo dài đến sáu tháng hoặc lâu hơn thế.

TSMC đang mở rộng năng lực sản xuất chip cũ bằng cách xây dựng một nhà máy mới cho mục đích đó tại Nhật Bản. Lisa Spelman, phó chủ tịch nhóm trung tâm dữ liệu của Intel, cho biết Intel không có kế hoạch xây dựng nhà máy mới để sản xuất các loại chip cũ và sẽ tiếp tục tập trung vào việc sản xuất các loại chip hiện đại. Bà Lisa cũng cho biết thêm rằng việc tiếp tục xây dựng thêm các bộ phận tạo ra các thế hệ chip mới nhất có thể giúp giảm bớt tình trạng thiếu chip bằng cách tạo ra nhiều công suất mới hơn trên toàn cầu.

Nhưng Gaurav Gupta, một nhà phân tích tại Gartner về chất bán dẫn và thiết bị điện tử, cho biết việc tận dụng công suất mới hơn đó đòi hỏi các nhà sản xuất phải chuyển thiết kế chip của họ từ công nghệ cũ sang loại mới hơn. Điều này tốn kém và mất thời gian, một phần là do các nhà sản xuất chip cho ô tô chẳng hạn, phải xác minh tuổi thọ và độ an toàn của chip mỗi khi họ ra mắt thế hệ chip mới. Intel đã thành lập một nhóm để giúp các nhà sản xuất ô tô chuyển đổi sang công nghệ chip mới hơn.

Trong khi đó, phát ngôn viên của Infineon, công ty sản xuất nhiều loại chip cho ngành công nghiệp ô tô, cho biết trong các sản phẩm có công nghệ đã được chứng nhận về độ an toàn và độ bền, thì công nghệ chip cũ được ưa chuộng hơn. Cô cho biết thêm rằng các thiết bị điện tử xử lý đèn chiếu sáng trên cao trong ô tô – hoặc các chip điều khiển cửa sổ tự động – không cần phải sử dụng công nghệ chip mới nhất.

Và ngay cả các công ty sản xuất chip cũng bị ảnh hưởng bởi tình trạng thiếu chip. Ví dụ, Infineon có đủ năng lực để sản xuất chip xử lý điện năng của riêng mình, nhưng không thể có đủ chip vi điều khiển kiểu cũ hơn mà hệ thống của nhà máy cũng yêu cầu. Do đó, công ty đã thuê ngoài từ lâu bởi các nhà sản xuất bên thứ ba như TSMC.

Ông Wayne Lam từ CCS Insight cho biết, những cú sốc về nguồn cung và nhu cầu tăng đột biến, cùng với nhu cầu về chip và công cụ sản xuất ngày càng tăng trong nhiều năm, đã đại diện cho “sự thiết lập lại một cách hoàn toàn toàn bộ chuỗi cung ứng chất bán dẫn”.

“Chỉ là quy mô của nó thôi”, ông nói thêm. “Chứ tôi không nghĩ mọi người đánh giá cao mức độ ấn tượng của nó.”