Chip bán dẫn được coi là huyết mạch của nhiều ngành công nghiệp hiện đại, từ máy tính, smartphone, xe hơi đến thiết bị gia dụng. Sự gia tăng trong nhu cầu sau khi thế giới dần thích ứng với COVID-19, kết hợp với một vài yếu tố gây gián đoạn chuỗi cung ứng theo đó khiến nhiều quốc gia phải đối mặt với cơn khủng hoảng chip nhớ trầm trọng.
Tấm wafer để chế tạo chip nhớ.
Tình trạng này đang thúc đẩy đà tăng lạm phát, đồng thời dấy lên cảnh báo rằng Mỹ đang quá phụ thuộc quá nhiều vào các con chip vốn được sản xuất chủ yếu tại nước ngoài. Theo The New York Times, Mỹ chỉ chiếm khoảng 12% năng lực sản xuất chất bán dẫn toàn cầu; trong khi gần 90% loại chip tiên tiến nhất được tạo ra ở Đài Loan, Trung Quốc.
Thực tế, chip đã dần thay thế các thiết bị bán dẫn riêng lẻ cồng kềnh từ cuối những năm 1950. Rất nhiều vi mạch nhỏ được lắp ráp bên trên những tấm silicon giúp lưu trữ dữ liệu, khuếch đại tín hiệu và thực hiện một số chức năng khác.
Intel nổi tiếng với những con chip được gọi là bộ vi xử lý có thể thực hiện hầu hết các chức năng tính toán cơ bản của chiếc máy tính. Gã khổng lồ này, theo thời gian, đã cố gắng thu nhỏ kích thước các bóng bán dẫn trên bộ vi xử lý, song các đối thủ tại Đài Loan vẫn có thể chế tạo các linh kiện còn nhỏ hơn nhiều. Đó cũng là lý do vì sao Apple lựa chọn những công ty này để sản xuất chip nhớ cho chiếc iPhone đời mới của mình.
Nhà máy sản xuất chip của Intel.
Điều này vô hình chung càng gia tăng thêm khoảng cách mà Trung Quốc - với tham vọng bá chủ ngành công nghiệp chip nhớ đang tạo ra với các đối thủ trong cuộc chạy đua toàn cầu. Chính vì vậy, Intel đang nỗ lực giành lại vị trí dẫn đầu.
Gã khổng lồ chất bán dẫn này của Thung lũng Silicon đang đầu tư 20 tỷ USD vào các siêu nhà máy nhằm giải quyết tình trạng thiếu hụt chất bán dẫn, đồng thời củng cố lại vị thế cho nước Mỹ trong tham vọng tự chủ chip. Ngoài 2 nhà máy tại bang Arizona, Intel còn lên kế hoạch xây dựng các cơ sở sản xuất chip tại Ohio và Magdeburg (Đức).
Dù chỉ có kích thước rất nhỏ, chip bán dẫn phải được tạo ra trong các siêu nhà máy khổng lồ có chiều dài gần bằng 4 sân vận động và được trang bị rất nhiều công nghệ tiên tiến, tối tân. Tại sao sản xuất chip lại đòi hỏi nhiều khoản đầu tư trị giá hàng tỷ USD đến vậy? Câu trả lời nằm ở chính quy mô các nhà máy sản xuất chất bán dẫn của Intel tại thành phố Chandler và Hillsboro.
Hệ thống xử lý wafer
Để sản xuất chip, các nhà máy mới sẽ tiêu tốn hàng tỷ USD. Ngoài khoản đầu tư cho cơ sở hạ tầng và máy móc, các tập đoàn công nghệ phải rót rất nhiều tiền phục vụ quá trình xử lý chip phức tạp, chẳng hạn như tách chip từ tấm bán dẫn (wafer), tức fabricate. Đó cũng là lý do vì sao các nhà máy bán dẫn thường được gọi là "fab".
Máy khắc để chế tạo chip nhớ.
Những cỗ máy khổng lồ này sẽ thiết kế chip trên từng wafer, sau đó dùng phương pháp khắc và lắng đọng hơi hóa học để kết nối bóng bán dẫn với nhau. Tối đa 25 wafer khi đó sẽ cùng di chuyển trên một hệ thống chạy tự động trên cao.
Quá trình xử lý một tấm wafer cần hàng nghìn bước và kéo dài suốt 2 tháng ròng rã. TSMC, đối thủ lớn của Intel đang đẩy nhanh tốc độ này trong những năm gần đây và cố gắng vận hành các nhà máy “gigafabs” với 4 dây chuyền sản xuất trở lên.
Dan Hutcheson, phó Chủ tịch Công ty nghiên cứu thị trường TechInsights, ước tính rằng mỗi “gigafabs’’ này của TSMC có thể xử lý hơn 100.000 wafer mỗi tháng. Trong khi đó, 2 nhà máy trị giá 10 tỷ USD đang được Intel xây tại Arizona chỉ có thể đạt công suất 40.000 wafer.
Đóng gói (packaging) là lĩnh vực cạnh tranh mới do kích thước bóng bán dẫn ngày càng nhỏ. Các công ty hiện đang phát triển công nghệ xếp chồng hoặc nối các chip với nhau để chúng có thể hoạt động như một con chip thống nhất. Trong đó, Intel đã phát triển thành công công nghệ đóng gói mới có thể kết nối 47 chip độc lập thành một.
Các con chip riêng lẻ đang chờ được đóng gói
Chip Intel thường được bán với giá hàng trăm, thậm chí hàng nghìn USD mỗi con. Chẳng hạn như hồi tháng 3, Intel đã rao bán bộ vi xử lý nhanh dành cho máy tính để bàn với giá khởi điểm 739 USD. Vì sao những thiết bị tí hon này lại đắt đến vậy?
Cỗ máy lọc khí, chỉnh nhiệt hoàn hảo
Câu trả lời nằm ở chính những nhà máy sản xuất chip. Theo The New York Times, các nhà máy chip phải tuân thủ quy trình vệ sinh nghiêm ngặt hơn cả bệnh viện, bởi một hạt bụi siêu nhỏ cũng có thể ảnh hưởng đến quy trình sản xuất. Toàn bộ nhà máy cũng cần được trang bị hệ thống lọc không khí, điều chỉnh nhiệt, độ ẩm cùng thiết bị chống rung đặc biệt bởi chỉ một chuyển động nhỏ cũng có thể khiến những cỗ máy đắt tiền vận hành sai lệch.
Quá trình lọc khí và chất lỏng cũng rất quan trọng. Tầng cao nhất của nhà máy Intel, ở độ cao 21m, luôn được trang bị một hệ thống quạt khổng lồ để chỉ những luồng không khí sạch mới có thể lưu thông xuống khu lắp ráp chip. Hàng nghìn máy bơm, máy biến áp, tủ điện, ống dẫn và máy làm lạnh (chiller) cũng được kết nối với dây chuyền chung nhằm đảm bảo mọi con chip đều được sản xuất với xác suất chính xác tối đa.
Hệ thống lọc khí tại nhà máy sản xuất chip
Bên cạnh đó, nhà máy chip cần khá nhiều nước để làm sạch các tấm wafer. Theo The New York Times, 2 nhà máy của Intel tại thành phố Chandler, bang Arizona cần trung bình 41,6 triệu lít nước mỗi ngày từ các đơn vị cấp nước địa phương. Nếu có thêm nhiều nhà máy, sự gia tăng trong nhu cầu sử dụng nước sẽ trở thách thức lớn mà Intel cần phải vượt qua, nhất là tại các bang thường xuyên xảy ra hạn hán như Arizona.
Theo Intel, nguồn nước phục vụ trong các nhà máy tại Chandler chủ yếu đến từ 3 con sông và hệ thống giếng phức tạp. Sau khi sử dụng xong, nước được chuyển về các cơ sở xử lý do Intel tài trợ để phân phối cho hoạt động tưới tiêu nông nghiệp và một số mục đích khác.
Được biết Intel cũng đang đặt mục tiêu tăng cường nguồn cung nước tại Arizona và một số tiểu bang vào năm 2030 thông qua các dự án tiết kiệm và cung cấp nước cho địa phương.
Công trình đồ sộ với 100.000 tấn sắt thép
Để xây dựng các nhà máy mới trong tương lai, Intel cần khoảng 5.000 công nhân lành nghề trong suốt 3 năm.
Nhà máy sản xuất chip của Intel
Dan Doron, Giám đốc Xây dựng của Intel cho biết công trình tại Arizona sẽ cần đào khoảng 890.000 m3 đất, đổ hơn 445.000 m3 bê tông và sử dụng 100.000 tấn thép để gia cố nền móng, tức nhiều hơn cả vật liệu xây dựng tòa nhà cao nhất thế giới Burj Khalifa tại Dubai (UAE). Mỗi chiếc xe ben chuyên chở khi đó cần vận hành với công suất mỗi phút một chuyến mới có thể kịp tiến độ.
Ngoài ra, các cần cẩu phục vụ quá trình xây nhà máy sản xuất chip cũng phải là những chiếc xe loại lớn cần hơn 100 xe tải vận chuyển từng bộ phận đến lắp ráp. Chỉ những chiếc cần cẩu này mới có thể nâng các thiết bị làm lạnh nặng tới 55 tấn lắp đặt trong các siêu nhà máy.
Dù Intel nói riêng và nước Mỹ nói chung đang nỗ lực giải quyết tình trạng thiếu chip bằng cách cải thiện công suất, song các sản phẩm như điện thoại và ô tô luôn đòi hỏi những linh kiện đến từ nhiều nhà cung cấp khác nhau và hiện không một quốc gia nào có thể tự đứng một mình trong ngành công nghiệp chất bán dẫn.
Quá trình đổ bê tông khi xây dựng nhà máy
Chính vì vậy, dù việc thúc đẩy sản xuất trong nước có thể hạ nhiệt phần nào áp lực lên nguồn cung toàn cầu, ngành công nghiệp chip nhớ vẫn sẽ tiếp tục phải phụ thuộc vào mạng lưới các công ty toàn cầu phức tạp, từ nguyên liệu, thiết bị sản xuất, phần mềm thiết kế cho đến chiêu mộ nhân tài.
Theo: The New York Times
