Chiplet: Cơ hội từ khúc cua mới của ngành bán dẫn?

Sự xuất hiện của chiplet – đóng gói tiên tiến – trong vòng một thập niên đã tạo ra khúc cua mới trên lộ trình phát triển công nghệ bán dẫn. Khúc cua này có đem lại tiềm năng cho Việt Nam bước sâu hơn vào chuỗi giá trị phức tạp và đòi hỏi nhiều know-how của ngành bán dẫn?

Tận dụng cơ hội trong năm năm vàng?

“Trong 66 năm qua, thị trường bán dẫn đã đạt được 500 tỷ USD, nhưng chỉ trong một thập kỷ gần đây, giá trị thị trường của chất bán dẫn đã tăng gấp đôi lên trên 1.000 tỷ USD”, điều mà bà Nguyễn Bích Yến, nghiên cứu viên cao cấp, Công ty Soitec (Mỹ), nhấn mạnh tại tọa đàm“Chiplet và cơ hội tham gia chuỗi giá trị bán dẫn” do Tia Sáng và Cộng đồng Vi mạch Việt Nam tổ chức, cho thấy sức nóng của thị trường chip bán dẫn. Để hình dung về vai trò và tiềm năng kinh tế của những con chip, có thể nhìn vào ví dụ chiếc iPhone 15, một trong những chiếc điện thoại hiện đại nhất hiện nay. Bên trong iPhone 15 có bộ vi xử lý (processor) sử dụng công nghệ 3 nanomet, với số lượng 90 tỉ bóng bán dẫn (transistor). Giá trị vật liệu sử dụng trong chiếc iPhone này khoảng 550 USD Mỹ, trong đó riêng phần bán dẫn (semiconductor) đã chiếm đến 345 USD. 

Liệu có cơ hội nào cho các doanh nghiệp Việt Nam tham gia vào ngành chất bán dẫn được ví¹ như dầu mỏ, thậm chí tiềm năng còn hơn thế vì dự trữ dầu mỏ đã định hình địa chính trị trong những thập kỷ qua còn hiện nay các nhà máy sản xuất chất bán dẫn vẫn đang được xây dựng, nhu cầu bán dẫn vẫn tiếp tục tăng cao vì đây là thành phần xương sống trong tự động hóa, các thiết bị công nghệ mới nổi, từ hàng không vũ trụ cho đến thiết bị trong cuộc sống hằng ngày, điện thoại thông minh, máy tính, ô tô điện… cho đến thiết bị y tế, và đặc biệt là trí tuệ nhân tạo (AI) đang bùng nổ. Theo bà Bích Yến, nhu cầu ô tô, AI và máy tính lượng tử có ý nghĩa quyết định, chẳng hạn từ năm 2025 đến 2030, AI sẽ sử dụng đến 50% lượng bán dẫn được bán ra trong năm năm tới.

Năm năm tới là giai đoạn bản lề, vì dự đoán của các chuyên gia trong ngành, từ năm 2025 đến 2030, thị trường bán dẫn sẽ tăng thêm 400 tỷ USD. Về mặt nguồn nhân lực, thế giới sẽ cần hơn 1 triệu công việc liên quan đến kỹ thuật cao.Tuy nhiên, so với đào tạo hiện nay, dự đoán sẽ có khoảng 60% các công việc này không thể tìm đủ người làm. Đây là một lộ trình tiến bộ nhanh nhất. Thậm chí, nhìn vào lịch sử của ngành, bà Bích Yến còn nhận xét đây là “một hành trình đã có sự tiến triển tinh vi và vượt ngoài sức tưởng tượng của những người trong ngành”. Nên điều bà nhấn mạnh nhiều lần là “mức độ gia tăng rất nhanh và có nhiều cơ hội”, “tuy nhiên, thời gian cũng rất ngắn để cần phải có những hành động cụ thể”. 

Việt Nam nên tập trung vào đóng gói tiên tiến vì đây là ngành có mức tăng trưởng tốt cả dài hạn và ngắn hạn (với tỉ lệ tăng trưởng kép hàng năm lên tới 37%), nhu cầu hiện tại đã vượt quá khả năng sản xuất, khiến nhiều công ty phải mở rộng nhà máy. 

Cơ hội rất lớn, nhưng tham gia như thế nào vào chuỗi sản xuất phức tạp bậc nhất về mặt công nghệ này? 

Nhìn vào quá khứ, không phải chúng ta chưa từng có những bước đi bài bản. Trong lịch sử hơn sáu thập niên của ngành này, Việt Nam đã quan tâm và có những bước đi kịp thời về bán dẫn ngay từ những ngày đầu, với một phòng thí nghiệm đồng bộ về bán dẫn đã được xây dựng tại Viện Vật lý và đã chế tạo ra hàng loạt thiết bị bán dẫn transistor silicon hiện đại nhất lúc bấy giờ ở quy mô phòng thí nghiệm (để hiểu về xuất phát điểm kịp thời này, có thể so sánh, các ông lớn như Samsung cũng bước vào lĩnh vực bán dẫn và chế ra transistor silicon đầu tiên cùng thời điểm). Sau đó nhà máy bán dẫn Z181 đã được thành lập và được coi là khởi đầu của lĩnh vực công nghiệp bán dẫn Việt Nam nhưng công nghiệp bán dẫn của Việt Nam manh nha sớm nở đã chật vật, khi sau đổi mới Z181 đã phải dừng sản xuất đầu những năm 1990.

Trong hai chục năm trở lại đây, tạm chia ba công đoạn chính liên quan đến việc sản xuất chất bán dẫn gồm (1) thiết kế; (2) chế tạo; và (3) lắp ráp, kiểm tra và đóng gói thì Việt Nam có lợi thế ở công đoạn nào? Khi nhiều chuyên gia ngành bán dẫn đã đánh giá rằng chúng ta mới chỉ tham gia một cách khiêm tốn ở khâu đóng gói còn trong công đoạn sản xuất có thể nói rằng chúng ta chưa có gì nhiều, kể cả nguồn lực con người cũng chưa sẵn sàng. Hai mươi năm qua, Việt Nam chưa hề có riêng chương trình đào tạo bán dẫn nhưng vẫn phát triển được một đội ngũ kỹ sư thiết kế chip nhờ vào việc các công ty thiết kế chip mở văn phòng ở Việt Nam và cần nguồn nhân lực thiết kế. Dù vậy, gần như hầu hết các công ty là công ty nước ngoài, “tính sở hữu” (ownership) của sản phẩm là của các “ông chủ” nước ngoài. Kỹ sư Việt Nam mới chỉ tham gia được một số công đoạn, khoảng 5000 nhân lực thiết kế mới đang chủ yếu là những “nhóm đánh thuê riêng lẻ” và chưa có tính sở hữu, chưa được tham gia vào việc ra bài toán thiết kế, theo ông Nguyễn Thanh Yên, Tổng Giám đốc Công ty Vi mạch CoAsia Semi Việt Nam và là thành viên Ban quản trị Cộng đồng Vi mạch Việt Nam.

“Biển chỉ đường” đóng gói tiên tiến

Trong cái khó đó có lẽ lịch sử ngành bán dẫn lại đang mỉm cười lần nữa, khi một khúc cua công nghệ mới xuất hiện. Kể từ những năm 1960 đến nay, ngành công nghiệp bán dẫn đã liên tục thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn để tăng số lượng bóng bán dẫn trên một diện tích – giúp tăng khả năng tính toán mạnh hơn. 

Trên chặng đường giảm kích thước chip, càng giảm kích thước thì chi phí thiết kế càng tăng cao, chẳng hạn, chi phí thiết kế chip tăng từ 30 triệu USD chỉ riêng cho thiết kế không tính chi phí sản xuất ở kích thước 65 nanomet, lên 500 triệu USD cho thiết kế kích thước 5 nanomet và 900 triệu USD cho thiết kế ở kích thước 3 nanomet. Và chỉ một số ít nhà máy (fab) trên thế giới có khả năng sản xuất các chip kích thước nhỏ như vậy. Trong khi, nhu cầu chip ngày càng tăng mạnh như hiện nay dẫn đến sự cạnh tranh gay gắt và làm tăng giá thành sản xuất chip.

Trước giới hạn đó, chiplet và đóng gói tiên tiến ra đời, cho phép chia chip thành nhiều phần nhỏ (module) để giảm chi phí và tối ưu hiệu suất. Thay vì thiết kế nguyên một con chip phức tạp, có thể chia thành các module dễ sản xuất và lắp ráp. Chiplet cho phép đóng gói nhiều miếng bán dẫn rời rạc vào trong một khối nhỏ gọn giúp tiết kiệm chi phí, tối ưu hóa hiệu suất và tạo ra cơ hội để khách hàng cuối có thể tự do tùy chỉnh và quyết định thế hệ chip tiếp theo. “Trong một chip truyền thống, tất cả các thành phần đều phải giới hạn bởi cùng một công nghệ. Nhưng với chiplet, có thể kết hợp các chip khác nhau từ các công nghệ khác nhau – chẳng hạn như chip 14 nanomet từ một nhà sản xuất và chip 7 nanomet từ một nhà sản xuất khác – trong cùng một hệ thống. Điều này cho phép mở rộng quy mô rất lớn, với hàng triệu triệu transistor trên cùng một diện tích”, kỹ sư Huỳnh Trần Hải Âu, Công ty Synopsys (Mỹ)  cho biết.

Những điều mà các chuyên gia trong ngành phân tích đã chỉ ra rằng chúng ta đang ở một thời khắc giống như một khúc cua mới trên lộ trình phát triển công nghệ. Thật khó tưởng tượng rằng khúc cua này sẽ dẫn chúng ta đi đâu, bởi vì độ dốc (tăng trưởng) của nó rất lớn và chỉ có năm năm để chuẩn bị. “Nhưng không quá khi nói rằng ở khúc cua này, chúng ta đã nhìn thấy một tấm biển chỉ dẫn ghi là ‘Chiplet và đóng gói tiên tiến’, việc sử dụng chiplet đã là xu hướng bắt buộc, là con đường mà chúng ta phải đi”, ông Nguyễn Thanh Yên nhận định.

Đây cũng là suy nghĩ chung của nhiều chuyên gia khác tại tọa đàm. Trong nhiều công đoạn khác nhau của chuỗi giá trị, “vì sao Việt Nam nên tập trung vào đóng gói tiên tiến? vì đây là ngành có mức tăng trưởng tốt cả dài hạn và ngắn hạn (với tỉ lệ tăng trưởng kép hằng năm lên tới 37%), nhu cầu hiện tại đã vượt quá khả năng sản xuất, khiến nhiều công ty phải mở rộng nhà máy. Mặt khác, khi đầu tư thì tỉ lệ hoàn vốn cao hơn so với đầu tư vào nhà máy đúc chip, vốn đầu tư thấp hơn so với nhà máy đúc chip và cũng có nhiều lựa chọn về công nghệ, phân khúc”, theo ông Dương Minh Tiến, kỹ sư Phát triển lưới bóng bán dẫn, tại một tập đoàn ở Hàn Quốc. Vì thế ông tin rằng “nên bắt đầu từ bây giờ để thu hẹp khoảng cách với các nước tiên tiến trong lĩnh vực này”.

Đã chuẩn bị gì về hệ sinh thái cho đóng gói tiên tiến? 

“Điều quan trọng là đầu tư vào đóng gói tiên tiến không nhất thiết phải được triển khai ở mức tối đa ngay từ đầu, mà vẫn có thể được thực hiện một cách hiệu quả với những nguồn lực hiện có”, bà Bích Yến nói. Đây cũng là cơ sở để các chuyên gia tin tưởng vào xu hướng chiplet. Tuy nhiên, không có con đường nào dễ đi trong tương lai mà không cần có chuẩn bị từ nhiều năm trước, đây là điều mà bà Bích Yến lưu ý “con đường mà Việt Nam chọn sẽ phụ thuộc vào khả năng và điều kiện” của hệ sinh thái dành cho đóng gói tiên tiến – có thể chia ra từng khía cạnh cụ thể gồm khả năng đầu tư, nguồn lực con người và hạ tầng cơ sở.

Với điều kiện còn hạn chế, ngành bán dẫn Việt Nam cần phải vừa thu hút đầu tư nước ngoài (FDI) để học hỏi, tận dụng các tác động lan tỏa của FDI, có hỗ trợ chính sách từ chính phủ (ưu đãi tài chính, giảm thuế, giảm tiền thuê đất và trợ cấp) và vẫn có thể chuẩn bị cho chiplet theo lộ trình của “con nhà nghèo”. 

Nhìn vào từng yếu tố đó một cách rất thực tế, TS. Trịnh Hải Đăng, Quản lý kỹ thuật, Công ty TSMC (Đài Loan) đánh giá trong những thách thức, vấn đề lớn thứ nhất “là thách thức về chi phí”. Việc xây dựng một nhà máy sản xuất cho công nghệ này tiêu tốn hàng tỷ đô la, có thể là rào cản cho các nhà sản xuất nhỏ trong nước. Thứ hai, công nghệ đóng gói tiên tiến là một quy trình sản xuất phức tạp, đòi hỏi chuyên môn cao. Tuy nhiên, Việt Nam vẫn còn thiếu hụt nguồn lao động có tay nghề cao trong lĩnh vực này. Trong ngắn hạn, liệu chúng ta có thể khắc phục vấn đề này không? Ông đặt câu hỏi. Và vấn đề thứ ba là tính cạnh tranh trong ngành bán dẫn. Vì đây là công nghệ chìa khóa cho sự phát triển trong tương lai, nhất là của AI nên không chỉ Việt Nam, mà các nước tiên tiến khác cũng đang đầu tư mạnh vào lĩnh vực này. Nhiều công ty lớn đang hợp tác để mở rộng quy mô sản xuất, điều này đặt ra thách thức phải cạnh tranh rất lớn khi tham gia vào hệ sinh thái này. 

Như vậy có thể hiểu là hệ sinh thái đã có một phần, vậy cần đầu tư. Cho đến nay, Việt Nam có kinh nghiệm về lắp ráp, đóng gói, nhưng chủ yếu vẫn là đóng gói truyền thống. Để chuyển đổi sang phát triển đóng gói tiên tiến, cần sự chuẩn bị về hạ tầng cơ sở, vật liệu, bao gồm việc thiết lập các phòng sạch (chẳng hạn, chi phí cho một phòng thí nghiệm về đóng gói tiên tiến ở Singapore hiện nay cần khoảng 50 triệu đô la), đầu tư vào các hệ thống máy móc hiện đại, cùng với việc tích lũy kinh nghiệm trong lĩnh vực này. 

Tất nhiên, trong bài toán đầu tư, nếu đã lựa chọn tham gia vào chuỗi bán dẫn, so với các công nghệ tiên tiến khác hay chi phí cho một quy trình sản xuất của một nhà máy đầy đủ thì có lẽ chiplet vẫn còn “kinh tế” hơn. Mặc dù đầu tư cho chiplet vẫn rất lớn – một nhà máy đóng gói tiên tiến có thể cần tới 1 tỷ USD,  thì chi phí vẫn còn thấp hơn nhiều, chẳng hạn từ cách đây 5 năm, chi phí cho một quy trình sản xuất một fab 28 nanomet có thể lên đến 5 tỷ USD, và hiện tại chi phí này đã đội lên khoảng 28 tỷ USD.

Để nhìn rõ thêm về mức độ đầu tư lớn cho một con chip lớn mức nào khi tham gia vào chuỗi giá trị này, có thể nhìn vào ví dụ mà giáo sư Trần Xuân Hoài, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam, từng phân tích trong một tọa đàm khác về bán dẫn, do Tia Sáng tổ chức hồi đầu năm 2024 – về đầu tư cho phát triển chỉ một chip dành cho AI – được Công ty IBM công bố vào năm 2021, mà theo đánh giá của Forbes thì đây là một thành quả mở đường cho công nghệ AI phát triển rộng rãi. Đầu não để thiết kế nên con chip 7 nanomet này gồm 43 tác giả (thường mỗi tác giả này trung bình có khoảng 5 nhà nghiên cứu làm cùng). 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… với nhiều chuyên môn khác nhau: 5 nhà khoa học vật lý, 2 nhà toán học, 1 nhà hóa học, 1 nhà khoa học vật liệu vật liệu, 1 nhà 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 thuộc diện đặc biệt tài năng. Một con chip như ví dụ này cũng mất năm, sáu năm phát triển, tiêu tốn cỡ 300 triệu USD. Trong đó chỉ riêng cho nhân lực khoảng 150 triệu USD. 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.

Không bỏ qua những con đường nhỏ 

Với điều kiện còn hạn chế, ngành bán dẫn Việt Nam cần phải vừa thu hút đầu tư nước ngoài (FDI) để học hỏi, tận dụng các tác động lan tỏa của FDI, có hỗ trợ chính sách từ chính phủ (ưu đãi tài chính, giảm thuế, giảm tiền thuê đất và trợ cấp) và vẫn có thể chuẩn bị cho chiplet theo lộ trình của “con nhà nghèo”. Khi chưa có nhà máy để sản xuất chip phức tạp, chúng ta có thể hướng tới việc phát triển công nghệ đóng gói tiên tiến. Không nhất thiết phải sản xuất chip hay đóng gói chip ngay lập tức mà có thể nghiên cứu và phát triển vật liệu hoặc công nghệ mà vẫn có thể thực hiện trong môi trường học thuật. “Điều quan trọng là cần chuẩn bị sẵn sàng để khi có nhà máy và cơ sở hạ tầng, chúng ta có thể phát triển theo đà đó, thay vì đợi đến khi tất cả đã hoàn thiện. Nếu chúng ta đợi cho đến khi đầy đủ điều kiện mới bắt đầu, thì sự phát triển bùng nổ của ngành bán dẫn đã không xảy ra”, bà Bích Yến lưu ý. 

Tất nhiên, trong lộ trình phát triển ngành bán dẫn, dù chiplet phù hợp hơn cả vì đang là xu hướng quan trọng và Việt Nam đã có kinh nghiệm đóng gói nhưng không chỉ có một con đường lớn duy nhất. Ngoài “xa lộ” đóng gói tiên tiến thì vẫn còn có những con đường nhỏ khác cho các doanh nghiệp Việt Nam tham gia, điều mà TS. Nguyễn Thành Tiến tại Trung tâm nghiên cứu màn hình của một tập đoàn lớn ở Hàn Quốc lưu ý “theo cá nhân tôi, tôi thiên về những con đường nhỏ hơn, không nhất thiết phải là con đường lớn [mà doanh nghiệp Việt Nam] vẫn có thể tham gia vào. Có nhiều công nghệ mà chúng ta có thể khai thác, không nhất thiết phải là công nghệ tiên tiến nhất”. Chẳng hạn, các lĩnh vực tiềm năng là thiết bị điện năng cũng có nhiều ứng dụng trong trung tâm dữ liệu và không theo xu hướng giảm kích thước như các chip thông thường, các cảm biến, ứng dụng rộng rãi từ ngành công nghiệp ô tô, điện thoại, robot cho đến ngành y tế… cũng rất quan trọng. Ông lưu ý đây là những lĩnh vực có nhu cầu nó cao và có đặc điểm phù hợp với năng lực của các doanh nghiệp Việt Nam vốn ít đạt tới quy mô lớn là “có thể không nhắm tới các khách hàng lớn, mà có thể nhắm đến những khách hàng trung bình và nhỏ”. Đây vẫn là cơ hội cho các doanh nghiệp Việt Nam, vì thật ra hiện tại các khách hàng trung bình và nhỏ này cũng “khó nhận được nguồn cung từ phía những công ty lớn trong ngành chip. Đây chính là nhu cầu thị trường đang có, nhưng chưa có nhiều bên đáp ứng được”.

“Con đường nhỏ” cũng là điều mà giáo sư Trần Xuân Hoài lưu ý từ lần tọa đàm trước của Tia Sáng, “đừng ngại [khởi nghiệp], 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 28 nanomet chẳng hạn, tạo ra những con chip chuyên dụng (ASIC’s) hay dùng các mạch tích hợp cỡ lớn (FPGA – Field-Programmable Gate Arrays) có công đoạn thiết kế không quá phức tạp để tạo chip logic bằng phần mềm. Đầu tư dưới chục triệu đô la cùng vài chục nhân sự là khởi nghiệp được, và có thể 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.”

Điều quan trọng là bắt đầu theo đuổi và đầu tư bền bỉ, “ngay cả với đóng gói truyền thống đã có lịch sử hơn 60 năm rồi nhưng hiện nay vẫn còn rất là hữu dụng (phần lớn là các ứng dụng chúng ta đang dùng vẫn là chip được đóng gói truyền thống). Thì đóng gói tiên tiến cũng sẽ có một lịch sử tương tự như vậy, có thể là cả trăm năm nữa nó vẫn còn tồn tại khi còn ngành này. Đó là xu hướng để chúng ta nhìn vào và có thời gian chuẩn bị để thu hẹp khoảng cách về công nghệ, dần dần mình mới được làm chủ công nghệ đó. Cho nên việc chuẩn bị cho đóng gói tiên tiến không phải là chỉ hữu dụng cho ngày một ngày hai, mà sẽ là hướng đi lâu dài. Tất nhiên, có thể cần tới nhiều năm sau mới hái được quả, không dễ gì đầu tư 1 – 2 năm là có thể thấy được hiệu quả”, ông Thành Tiến lưu ý.□

——

Chú thích:

¹ Tổng giám đốc của Intel nhận định chất bán dẫn còn quan trọng hơn cả dầu mỏ, bên lề Diễn đàn Kinh tế Thế giới năm 2023. Intel CEO: Chip supply chains will shape geopolitics more than oil over the next 50 years | CNN Business

Bài đăng Tia Sáng số 22/2024