Cuộc chiến tranh công nghệ bán dẫn và máy tính. Phần 2: Cuộc chiến bán dẫn

ELBRUS 8C - Con chip CPU mà nước Nga Putin tự hào nhất mới ra đời 1,2 năm nay (chức năng về lý thuyết thiết kế để thay thế Intel CPU Xeon thế hệ hai cho các máy chủ), thực tế chỉ đạt ½ trong nhiều chỉ tiêu và thử nghiệm trong năm 2021 cho thấy chưa đạt yêu cầu cho những dịch vụ lớn.

Nên nhớ rằng Elbrus cũng như các chip khác của Nga và Trung Quốc tự lực được đều chế tạo trên công nghệ 28nm, một công nghệ ra đời 10 năm (2011). Trong khi đó, Mỹ và phương Tây hiện đã bước vào công nghệ 2nm, và chắc chắn là trong 10 năm tới, liên minh Nga-Trung Quốc dù có bỏ bao nhiêu tiền cũng không thể đạt được. Vì sao lại nói vây?

Hãy lược qua lịch sử cuộc chiến tranh bán dẫn.

Thuật ngữ Semiconductor ta dịch là “bán dẫn”, Nhật và Trung Quốc dịch là “Bán đạo thể 半導体 ”được sử dụng lần đầu tiên bởi A. Volta vào năm 1782. Nói nôm na thì nó là chất không dẫn điện như kim loại mà cũng không cách điện như điện môi. Nó có những tính chất vật lý đặc hiệu. Quan sát được ghi nhận đầu tiên về tính chất bán dẫn là của Michael Faraday (1833), ông đo độ dẫn điện của Ag2S (sunfua bạc) và thấy rằng độ dẫn điện của chất này tăng theo nhiệt độ, ngược với độ dẫn điện của kim loại là giảm xuống khi nhiệt độ tăng lên. Ngoài tính chất đó, thì chất bán dẫn còn có nhiều tính chất vật lý thú vị khác, có thể dùng làm nhiều việc. Về sau người ta phát hiện rất nhiều vật liệu, đơn chất và hợp chất, vô cơ và hữu cơ, có tính chất tương tự và xếp chúng vào họ chất bán dẫn. Điển hình và được sử dụng nhiều nhất là Ge, Si, A3B5, A2B6 (A,B là chỉ các nguyên tố hóa học cùng hàng, các con số chỉ số thứ cột trong bảng tuần hoàn các nguyên tố)…

Bóng Transistor bán dẫn bằng Germanium đầu tiên do William Shockley, John Bardeen, Walter Brattain của Bell Labs phát minh năm 1948 (Nobel 1956). Tuy nhiên cha đẻ của Transistor cùng cộng sự rời bỏ Bell Labs về California lập Công ty Shockley’s Transistor thì sập tiệm, chỉ thành công với tư cách là hạt giống đầu tiên nảy mầm ra Silicon Valley ngày nay. Năm 1954 Texas Instruments cho ra đời Transistor bằng Silicon đầu tiên, tốt và ổn định hơn Germanium nhiều. Akio Morita – nhà sáng lập Sony đã là người đầu tiên sử dụng bóng bán dẫn làm chiếc đài radio bỏ túi. Năm 1970, Intel sử dụng bóng bán dẫn tạo ra DRAM bộ nhớ động đầu tiên, mở đầu kỷ nguyên lưu trữ bán dẫn. Chip IC được tìm ra năm 1949 bởi một kỹ sư người đức có tên Werner Jacobi, ông đã chế tạo một thiết bị khuếch đại giống với một mạch tích hợp, trong đó có 5 transistors Germanium và được phát triển thành thiết bị trợ thính. Sau đó một thập kỷ, Jack Kilby (Mỹ) đã cho ra mắt chip IC (vi mạch) đầu tiên của thế giới (Nobel 2000). Với nguyên liệu từ Silicon, vi mạch này nhanh chóng vượt qua mạch tích hợp trước đây, đánh dấu một bước tiến lớn về vật lý.

Các công ty Nhật Bản lúc đó rất giỏi cải tiến công nghệ và sản phẩm, họ bắt đầu vượt qua người Mỹ bằng chính công nghệ do người Mỹ tạo ra. Các công ty Nhật đã càn quét thị trường gia dụng của Mỹ và thế giới qua radio, TV, máy quay-phát video. Đồ Nhật Bản tràn ngập Mỹ giống như bây giờ đi đâu ta cũng thấy sản phẩm sản xuất tại Trung Quốc vậy.

Tuy nhiên trong lĩnh vực chip IC thì Nhật Bản vẫn có một sự chênh lệch nhất định so với Mỹ. Vì vậy năm 1976, Nhật Bản đã đầu tư 72 tỉ yên vào Hitachi, Mitsubishi, Fujitsu, Toshiba, NEC, Viện Khoa học Máy tính và Công nghệ đã nghiên cứu và phát triển vi mạch tích hợp mật độ cao VLSI (Very large-scale integration). Sau bốn năm, Nhật Bản thông báo hoàn thành dự án VLSI. Ngành công nghiệp DRAM của Nhật bùng nổ. Đến năm 1986, chỉ tính riêng Toshiba đã sản xuất hơn 1 triệu 1M DRAM một tháng. Nhật mất sáu năm để đạt thành công và thống trị thị trường DRAM. Các sản phẩm Nhật Bản đã tấn công thị trường Mỹ một cách điên cuồng.

Chip Elbrus 8C 1.5GHz, 8cores (2021)

Còn với Intel, rất hứa hẹn khi ra mắt bộ nhớ bán dẫn (1970), đã rơi vào cảnh thua lỗ lớn. Trong hai năm 1984 và 1985, công ty buộc phải sa thải hơn 7000 nhân viên. Vào tháng 10/1985, Intel tuyên bố rút khỏi thị trường DRAM và đóng cửa bảy nhà máy DRAM. Sau khi hoàn toàn từ bỏ việc phát triển chip nhớ DRAM, Intel đã chuyển sang hướng bộ vi xử lý CPU và thống lĩnh thị trường này.

Năm 1985, Mỹ phán quyết Nhật Bản bán phá giá chip DRAM và áp thuế 100% lên thiết bị bán dẫn của Nhật Bản. Một năm sau, Nhật Bản và Mỹ đã ký “Hiệp định bán dẫn Nhật Bản-Mỹ” với tất cả các điều khoản bất lợi cho Nhật. Trong thỏa thuận bán dẫn kéo dài năm năm với Mỹ, Nhật Bản đồng ý cho Mỹ hạch toán chi phí giá bán tại thị trường Mỹ, tại Nhật thì chấp nhận cho Mỹ có ít nhất 20% thị phần bán dẫn, chấp nhận để Văn phòng Đại diện Thương mại Mỹ giám sát, Fujitsu bị cấm mua lại Tập đoàn bán dẫn Fairchild Semiconductor của Mỹ. Ngoài ra, từ năm 1989, Nhật Bản phải hỗ trợ bằng sáng chế bán dẫn cho Mỹ. Để tạo thêm đồng minh chống Nhật, Mỹ hỗ trợ Đài Loan, Hàn Quốc phát triển nhanh công nghệ bán dẫn. Mỹ đã thắng2.

Cuộc chiến công nghệ bán dẫn lúc này chỉ mới tập trung trong một phe và trong cuộc Chiến tranh Lạnh thì phe XHCN vẫn âm thầm phát triển công nghệ bán dẫn của mình, với tốc độ chậm hơn, phe Mỹ chỉ chống lại bằng cấm vận, không có vũ khí nào khác. Nhưng ƠN TRỜI…

CHIP NHỎ, CÔNG NGHỆ LỚN: Ngành công nghiệp chip của Liên Xô cũ và Nga ngày nay

Con chip ra đời vào thời chạy đua vũ trang giữa Mỹ và Liên Xô vào thế kỷ trước. Mỹ đã nắm bắt được thời kỳ hoàng kim của phát triển chip vào thời điểm đó, trong khi Liên Xô đã mắc sai lầm nghiêm trọng trong việc đánh giá sai sự phát triển chip vào thời điểm đó, và dự đoán sai sự phát triển của ngành công nghiệp chip.

Trong khi Mỹ đang nỗ lực khám phá lĩnh vực bán dẫn thì Liên Xô vẫn đang tập trung nghiên cứu các đèn điện tử nhỏ (mini electronic tube), điều này đã khiến Liên Xô rơi vào thế lạc hậu trong giai đoạn đầu phát triển chip. Trong sự tan rã của Liên bang Xô viết, các quốc gia như Nga và Belarus đã được hình thành. Trong số đó, Nga thừa hưởng phần lớn di sản của Liên Xô nên liên tục bị Mỹ nhắm tới.

Dưới sự cấm vận chung của các nước phương Tây, ngành công nghiệp chip của Nga hiện nay rất sa sút, nhất là đối với việc phát triển chip dân dụng. Có thể nói là không có lối thoát.

Do đó, chip dân dụng của Nga phụ thuộc rất nhiều vào nhập khẩu, và hầu như tất cả chip dân dụng đều cần phải nhập khẩu. Do năng lực sản xuất chip của Nga còn yếu, nên Nga đang ở vị thế là người tiêu dùng cuối trong ngành công nghiệp chip và Nga là khách hàng trung thành với chip của Mỹ.

Tất nhiên, Nga cũng có rất ít chip không cần nhập khẩu. Hầu hết các chip này là chip quân sự. Chip quân sự không đòi hỏi cao. Chúng chỉ cần khả năng chịu nhiệt độ cao, bảo vệ bức xạ và ổn định. Nó rất quan trọng cho dù nó là công nghệ không phải là tiên tiến nhất.

Việc sử dụng chip quân sự cũng không thể thiếu trong quá trình sản xuất máy bay chiến đấu.

Vì vậy, chip quân sự rất quen thuộc với Nga, và Nga đã đạt được rất nhiều thành tích về chip quân sự. Về vật liệu, thiết kế… thì Liên Xô và Nga là ngang ngửa với phe Mỹ. Nhưng về phát triển công nghệ chip thì phe Nga và Trung Quốc đến nay bị kẹt ở một khâu then chốt.

Trước hết ta hãy xem quy trình chế tạo chip như thế nào. Đầu tiên, chúng ta phải chuẩn bị wafer. Wafer là một tấm Silicon đơn tinh thể hình tròn, một wafer silicon được tạo thành bằng cách cắt lát từ một khối tinh thể Silicon hình trụ và được mài phẳng và đánh bóng. Kích thước wafer càng lớn thì số chip tạo ra càng nhiều. (Hiện nay đạt được ф300cm). Trên bề mặt Silicon ta có thể sẽ cho mọc lên một lớp đơn tinh thể rất mỏng có pha tạp chất để cho nó hoặc có tính chất bán dẫn điện loại dương -P hay loại âm -N, theo yêu cầu, gọi là công nghệ Epitaxi. Trên lớp epitaxi đó ta tạo ra một lớp điện môi bền vững bằng cách oxi hóa nhiệt Si thành ra SiO2 hoặc bằng cách phún xạ (Deposition) phủ từng lớp nguyên tử Hafnium Oxid HfO2 (atomic layer deposition)

Sau đó, phủ lên bề mặt một lớp sơn cảm quang (Photoresist) chúng ta sẽ sử dụng kỹ thuật phơi sáng-in và hiện ảnh để cắt bỏ lớp màng sơn trên bề mặt tấm wafer theo khuôn mẫu cần thiết rồi dùng kỹ thuật ăn mòn chọn lọc (selective etching) để cắt bỏ những phần oxide bảo vệ theo tiêu bản. Do các tiêu bản khuôn mẫu khác nhau, phương pháp cắt bỏ màng bảo vệ của wafer bằng máy Quang khắc cũng khác nhau, không phải chỉ một lần mà rất nhiều lần với độ chính xác đến từng nano mét. Sau khi các vị trí cần thiết theo khuôn mẫu được loại bỏ, thì lộ ra hàng tỷ chấm bề mặt Silicon để ta thực hiện các công đoạn chế tạo linh kiện điện tử (Chủ yếu là các transitors trường MOSFET, các cảm biến và các đường dẫn, một ít điện trở, tụ điện…). Vì quá trình này ở trên một mặt phẳng nên gọi là Công Nghệ Planar-Epitaxi. Đây là con át chủ bài của công nghệ bán dẫn – vi điện tử. Nó là kết tinh của trí tuệ Vật lý học với kỹ thuật tinh vi mà thành. Cái thiết bị khó nhất và kỹ thuật khó nhất trong công nghệ này là Quang khắc – Photolitography

Có thể nói, trong quy trình sản xuất chip, nếu không có máy Quang khắc thì sẽ không có chip. Vậy kỹ thuật quang khắc là gì mà ghê gớm thế?

Kỳ sau sẽ rõ…

(1) https://www.tomshardware.com/news/russias-biggest-bank-tests-elbrus-cpu-finds-it-unacceptable.

(2) Những tư liệu không dẫn nguồn trên đây là tổng hợp từ các nguồn media khác nhau.

Nguồn: KHPT