Người 'thiết kế nguồn' cho vi mạch Việt Nam

Thu Quỳnh

Steven Huỳnh, với startup Active Semi từ hơn hai thập niên trước, đã tạo ra nơi hiếm hoi cho phép kỹ sư vi mạch giải bài toán toàn trình, có cơ hội sai, trong một ngành rất phân mảnh và "không được phép sai".

Khoảnh khắc "bật nguồn"

Một con chip quản lý nguồn chỉ thật sự "sống" khi lần đầu bật điện. Với anh Nguyễn Thanh Yên, tổng giám đốc Coasia Semi Việt Nam, khoảnh khắc con chip DC40 bật nguồn trong phòng lab năm ấy giống như một lời chào của tương lai - lần đầu tiên anh thấy con chip do chính mình thiết kế thực sự hoạt động.

Hơn 20 năm trước, Steven Huỳnh giao cho nhóm anh thiết kế con chip LDO (low dropout regulator) - bộ ổn định điện áp để thiết bị không sụp nguồn hay quá áp. Kỳ vọng ban đầu đây sẽ là con chip tape-out (hoàn tất thiết kế gửi đi sản xuất) và ra thị trường sớm nhất. Nhưng DC40, tên con chip LDO ấy... bị thất bại, phải tape-out làm đi làm lại nhiều lần.

LDO là mạch tương tự - hoạt động như chiếc điều hòa xử lý sai khác tín hiệu điện áp và dòng điện để giúp điện áp đầu ra luôn ổn định khi điện áp đầu vào liên tục "nhảy múa" thay đổi với biên độ lớn. Vì vậy, chỉ một sai lệch rất nhỏ trong kiểm soát vòng hồi tiếp tín hiệu ấy cũng có thể khiến hệ thống dao động mất điều khiển. Thành bại nằm ở kỹ thuật "bù pha" – cách làm cho vòng hồi tiếp ấy ổn định, thứ anh ví như một bí kíp của nghề.

Nếu người kỹ sư thiết kế DC40 phải chỉnh sửa nhiều lần mới học được cách ổn định nguồn, thì Steven Huỳnh chính là người đã "thiết kế nguồn" cho cả một thế hệ vi mạch - bằng cách trao bí kíp nhà nghề đó, dạy bài bản lớp kỹ sư trẻ măng ngày đó đi đến tận cùng những nguyên lý cơ bản. Từng nhiều năm làm việc tại thương hiệu vi mạch nổi tiếng Maxim Integrated - nơi ông có gia tài đáng nể hơn 20 con chip ra thị trường và nhiều bằng sáng chế - năm 2003, ông rời vị trí quản lý cấp cao để lập startup Active Semi tại thung lũng Silicon, rồi ngay sau đó mở Active Semi ở quê nhà, đặt nền cho thế hệ thiết kế chip đầu tiên ở phía Bắc.

Hồi đó, ngành bán dẫn toàn cầu bước vào giai đoạn phân chia sâu sắc - tách thiết kế (fabless) khỏi sản xuất: các công ty thiết kế chuyên "vẽ" tối ưu con chip, còn sản xuất "in" các thiết kế ấy trên silicon được giao cho các nhà máy đúc chip (foundry) như TSMC, theo kỹ sư Trần Quốc Huy, ở Cadence Design Systems Vietnam. Nhờ vậy, các startup thiết kế non trẻ mới có cơ hội tham gia vào ngành khi không thể có hàng chục tỷ USD xây nhà máy và trở thành động lực đổi mới của ngành.

Đi đúng vào dòng chảy đó, các startup như Active Semi của Steven Huỳnh tham gia giải quyết một nghịch lý: trong khi sản xuất chip (fab) cần nguồn vốn khổng lồ, thì những thiết kế chip - đặc biệt là chip chuyên dụng như LDO - lại có thể bắt đầu từ nhóm nhỏ các kỹ sư tinh nhuệ. Bởi vì các tập đoàn lớn vận hành ở quy mô lớn, theo cấu trúc ổn định, khó chấp nhận rủi ro. Chỉ có startup, dám chấp nhận rủi ro, cho phép thử nghiệm nhiều vòng thiết kế, mới dám cho kỹ sư trẻ "đi hết vòng đời một con chip".

Ở Việt Nam, thập niên 2000, Active Semi vừa giữ vai trò của startup cho phép thử nghiệm nhanh hơn, đào tạo thực chiến hơn, linh hoạt hơn trước nhu cầu thị trường, vừa là vườn ươm lớp kỹ sư trưởng - những người được giao cả bài toán, thay vì chỉ từng công đoạn rời rạc. Và Steven Huỳnh là người thầy đầu tiên.

"Xây nền" tại một thị trường gần như trắng

Nếu với anh Nguyễn Thanh Yên, hình ảnh người thầy thiết kế vi mạch đầu tiên gắn với những lần sửa lỗi cho con chip DC40, thì với anh Trịnh Khắc Huề, CEO Qorvo Việt Nam, đó là ký ức về ngày đặt những viên gạch đầu tiên cho một thị trường gần như trắng.

Thuở ấy, lớp đồng nghiệp trẻ và anh Huề "cậu sinh viên nghèo chẳng biết thế nào là thiết kế IC, là thiết kế vi mạch tương tự" chưa đủ hiểu về hai ngã rẽ quan trọng của ngành bán dẫn, về việc sau này các anh cũng đặt chân và ghi tên kỹ sư Việt Nam lên bản đồ vi mạch thế giới ở ngả thiết kế (fabless) này. Có lẽ, đó là con đường ngắn nhất của vi mạch Việt Nam để lách vào chuỗi giá trị toàn cầu, trong bối cảnh nghèo nàn mới mở cửa không có gì hơn ngoài bàn tay con người.

"Anh đã trực tiếp dạy lý thuyết và thực hành... thế nào là thiết kế IC, là thiết kế vi mạch tương tự, đã làm thay đổi cuộc đời của em và rất nhiều người được anh chỉ dẫn trực tiếp hay gián tiếp."

Câu "đã làm thay đổi cuộc đời của em" không chỉ là cảm xúc cá nhân. Nó phản ánh bối cảnh Việt Nam khi đó: thiết kế vi mạch là một khái niệm hoàn toàn mới (để hiểu thêm, mười năm sau, các công ty vi mạch vẫn còn chật vật khi giải trình hồ sơ thuế hay hải quan, vì chưa có mã hồ sơ cho "vi mạch"). Ngày đó Việt Nam gần như chưa có gì trong hệ sinh thái thiết kế chip, không có cụm thiết kế nội địa, không có mạng lưới kỹ sư trưởng từng trải. Và điều Steven Huỳnh mang về khi đó không chỉ là một chi nhánh startup ông mới gầy dựng nên, mà là mô hình đào tạo thực chiến kiểu Silicon Valley.

Steven Huỳnh trực tiếp dạy thiết kế trong điều kiện startup nhỏ muôn vàn khó khăn mà phần mềm thiết kế thì đắt đỏ. Mỗi một bộ license giá hàng trăm nghìn USD mỗi năm, đắt ngoài tầm với của các doanh nghiệp ở Việt Nam hồi đó. Tuy nhiên, thiết kế chip không thể "tay không bắt giặc" bởi kỹ sư cần phần mềm mô phỏng mạch (EDA tools), phần mềm layout, công cụ kiểm tra lỗi ký sinh, nhiễu, ổn định... Để tạo môi trường học gần như từ con số 0, ông lại phải tự viết công cụ mô phỏng để kỹ sư thực hành và hiểu nguyên lý vận hành của mạch.

Lần đầu tiên, các kỹ sư của Active Semi Việt Nam tham gia thiết kế chip IC analog quản lý, ổn định điện áp dùng trong điện thoại, laptop... Bản thiết kế "made in Vietnam" sau đó được hoàn thiện tại Silicon Valley và sản xuất tại nhà máy ở Thượng Hải.

Đối với Việt Nam, dấu mốc bắt đầu thiết kế chip nguồn này đánh dấu bước chuyển từ chỗ chỉ nhìn thấy con chip hiện ra như một "cục đen đen" khi hỏng thì thay, dân gian gọi là sửa chữa "chập mạch", "chết i xê (IC)" bằng mỏ hàn và thiếc, sang việc trực tiếp tham gia thiết kế cấu trúc bên trong con chip.

Đối với nhóm kỹ sư trẻ chân ướt chân ráo vào nghề, "toàn bộ sang Thượng Hải, nhận chỉ dẫn trực tiếp của anh Steven và các kĩ sư Trung Quốc giàu kinh nghiệm là khoảng thời gian quý giá được bắt tay vào từng khâu trong quá trình làm chủ con chip", anh Huề nhớ lại.

Quan trọng hơn là tinh thần "máu lửa, đam mê sáng tạo, chấp nhận rủi ro, làm đến cùng và chịu trách nhiệm đến cùng cho sản phẩm tới tay người dùng". Tinh thần dấn thân là điều không dễ gì hình thành, có lẽ chỉ có khi được người thầy truyền cảm hứng, để lại ấn tượng sâu sắc trong đời.

Cho cơ hội sai ở một ngành không được phép sai

Nhưng giấc mơ làm ra một sản phẩm hoàn chỉnh, nhất là ở ngành đòi hỏi chính xác đến tuyệt đối, chưa bao giờ hết nhọc nhằn.

"Con chip đầu tiên không chạy", anh Yên kể lại. Mất sáu tháng để gỡ lỗi và hiểu nguyên do tại sao, nhưng cơ hội đã qua, vì chậm sáu tháng so với đối thủ, "họ bán được còn mình thì không".

"Khoảnh khắc nhận được tin chip đã tape-out về rồi mà bật nguồn không chạy đúng, là cảm giác rất, rất tệ", anh nói.

Sau này anh nghĩ lại mới thấy may mắn vì thời gian sau đó anh phải tự xử lý để chip chạy đúng, quá trình đấy thật ra cũng nặng nề chứ không đẹp đẽ, màu hồng gì cả "nhưng nó đáng giá," anh nói, "giống như lính mới lần đầu ra chiến trường mà vẫn sống sót."

Không chỉ con chip LDO đầu tiên, nhóm kỹ sư trẻ đối diện nhiều lần tape-out thất bại sau đó. Trong 5 năm đầu, anh Huề nhớ lại, trung bình mỗi năm Active Semi có khoảng 2–3 sản phẩm tape-out. Con số chính xác anh không còn nhớ rõ, nhưng nhịp độ ấy đủ để đội ngũ trẻ phải căng mình học hỏi và đối diện áp lực khắc nghiệt của thị trường, của việc phải trả giá bằng rất nhiều tiền và cơ hội kinh doanh.

Nhiều lần tape-out thất bại đem lại những bài học rất đắt. Vì một lần sai không chỉ là vài tháng làm lại. Đó là "đốt tiền" hàng trăm nghìn USD cho mask - bộ khuôn quang khắc dùng để "in" mạch điện và sản xuất thử nghiệm, là chi phí đội ngũ kỹ sư trong suốt vòng đời 1–2 năm, và có thể là cả hợp đồng với khách hàng. Để hiểu mức độ phức tạp của tape-out, có thể xem ước tính "chi phí cho mỗi lần tape-out tăng rất nhanh theo node (tiến trình công nghệ). Với 28nm: khoảng 2 triệu USD; với 7nm: khoảng 15 triệu USD", anh Trần Quốc Huy cho biết.

Với các chip quản lý nguồn như LDO, quy trình thường ở node lớn hơn, chi phí thấp hơn đáng kể, nhưng với một startup nhỏ đầu những năm 2000, mỗi lần tape-out vẫn là một khoản đầu tư vô cùng lớn.

Nên "làm chip không được phép sai", là điều đầu tiên mà tất cả các kỹ sư vi mạch nhắc đến trong mọi cuộc nói chuyện về ngành.

Một con chip quản lý nguồn như LDO chỉ là một linh kiện nhỏ trong điện thoại hay modem, nhưng nếu mất ổn định, cả thiết bị có thể sụp nguồn, nóng lên hoặc hỏng mạch. Khi đó, thiệt hại không dừng ở tiền làm lại chip, mà có thể là cả một lô sản phẩm đã sản xuất, kế hoạch ra mắt bị chậm lại, và uy tín của khách hàng bị ảnh hưởng. Đã tape-out sai thì đối thủ vượt lên, khách hàng có thể chuyển sang nhà cung cấp khác, và công ty non trẻ thì có nguy cơ mất luôn khách hàng.

Đặt trong bối cảnh ấy mới hiểu được giá trị đặc biệt mà Steven Huỳnh trao cho 12 kỹ sư đầu tiên, và các lớp kỹ sư sau đó của Active Semi có thể sai, chấp nhận sai là tạo ra một "vùng an toàn có kiểm soát" để lính trẻ vi mạch dám bước ra chiến trường và còn cơ hội quay về.

Nhờ thế, các kỹ sư có cơ hội được làm cả một con chip hoàn chỉnh. Điều này rất khác với bối cảnh đa số các kỹ sư trong chuỗi giá trị phức tạp nhưng chuyên môn hóa rất cao và phân mảnh này, kể cả làm cho các ông lớn ngành chip, cũng chỉ tham gia từng công đoạn và rất hiếm khi được giải một bài toán hoàn chỉnh ra một con chip thành phẩm. Sau khi kỹ sư trẻ làm sai, Steven Huỳnh lại hướng dẫn làm FIB – một kỹ thuật can thiệp trực tiếp trên chip bằng cách cắt hoặc nối tín hiệu để xác nhận giả thuyết lỗi. Mục tiêu là đảm bảo rằng nếu tape-out phiên bản mới, lỗi sẽ được khắc phục triệt để.

Có lẽ chỉ có startup mới trao cho các kỹ sư vi mạch cơ hội đắt đỏ ấy.

Thầm lặng vượt quy luật khắc nghiệt của ngành

Nhưng startup cũng là mô hình dễ bị đào thải nhất trong ngành bán dẫn. Phần lớn startup fabless trên thế giới không sống sót. Các kỹ sư thiết kế đều chia sẻ về ba cái khó nhất: chi phí tape-out cao, vòng đời sản phẩm dài, chỉ cần chậm một nhịp thị trường là có thể mất khách hàng và...hết vốn. Bài toán kỹ thuật chưa kịp giải xong thì bài toán dòng tiền ập đến.

Chính vì thế, việc một startup sống đủ lâu để đào tạo được một thế hệ kỹ sư trưởng đã là một kỳ tích thầm lặng vượt thoát khỏi quy luật khắc nghiệt của ngành.

Trong một ngành gần như không cho phép sai, việc chấp nhận thất bại có kiểm soát là điều hiếm. Trên thế giới, các startup fabless đóng vai trò đặc biệt chính vì dám chịu rủi ro đó. Họ linh hoạt, tập trung vào một dòng chip chuyên dụng, chấp nhận nhiều vòng thiết kế để đạt tối ưu. Trong bối cảnh một quốc gia đi sau, điều đó có ý nghĩa chiến lược: nếu kỹ sư không được phép sai, họ sẽ không bao giờ được làm chủ. Nhưng nếu được phép sai mà không có hệ thống bảo vệ, doanh nghiệp sẽ không tồn tại. Startup vì thế trở thành không gian cân bằng mong manh giữa rủi ro kỹ thuật và đào tạo nguồn cho thế hệ vi mạch đi sau.

"Việt Nam cần nhiều start up như Active Semi để làm chủ các chip chuyên dụng... và tạo ra nhiều thế hệ kỹ sư trưởng có hiểu biết sâu rộng nhiều công đoạn trong quá trình phát triển và tiến tới thương mại hóa chip bán dẫn", anh Huề nói.

Từ "bộ rễ ngầm" ấy, nhiều kỹ sư lan tỏa ra khắp miền Bắc, trở thành kỹ sư trưởng, lãnh đạo tại cả chục công ty thiết kế vi mạch hiện nay. Active Semi sau này được Qorvo mua lại và trở thành một phần của tập đoàn bán dẫn toàn cầu, di sản lớn nhất của nó vẫn là lớp kỹ sư trưởng trưởng thành từ những vòng tape-out khắc nghiệt.

Anh Nguyễn Thanh Yên ví Active Semi với miền Bắc hay Renesas ở miền Nam - những cái nôi của vi mạch Việt Nam thời kỳ đầu. "Giống như võ hiệp có môn phái Thiếu Lâm, Võ Đang...", anh nói. Ở miền Bắc, Active Semi là công ty đầu tiên tạo nên một "môn phái analog". Dù bản chất là doanh nghiệp nước ngoài, nhưng Active Semi Việt hơn cả Việt, do kỹ sư Việt gầy dựng, cho phép kỹ sư Việt được học kỹ thuật thiết kế chip và nắm được công nghệ lõi. Vì phải "tự làm" đủ mọi thứ nên sau này khi anh Yên đầu quân cho công ty top 10 thế giới, đồng nghiệp nước ngoài ngạc nhiên là anh biết cả những thứ mà chỉ kỹ sư trưởng nhiều năm kinh nghiệm mới được làm.

Nếu kỹ sư chỉ làm thuê từng công đoạn, sẽ không bao giờ hiểu cấu trúc tổng thể của một con chip thương mại. Không hiểu tổng thể, không thể làm chủ. Không làm chủ, không thể xây dựng doanh nghiệp chip chuyên dụng cho thị trường nội địa.

Startup vì thế không chỉ là mô hình kinh doanh. Với một quốc gia đi sau, startup là trường học thực chiến. Là nơi chấp nhận thất bại để tạo ra lớp kỹ sư trưởng đầu tiên.

Với sự dẫn dắt âm thầm và tận tụy, bao dung với thất bại, ông được nhiều kỹ sư vi mạch trìu mến gọi là "người anh Cả của thế hệ vi mạch F1 miền Bắc" - những người giờ đây đang nắm nhiều vị trí quan trọng trong các công ty lớn như Qorvo, Coasia Semi, FPT ...

"Bù pha" cho tương lai

Trong mạch analog, nếu không ổn định, tín hiệu dao động, thiết bị hỏng, còn trong hệ sinh thái nhân lực ngành bán dẫn, nếu không đào tạo liên tục sẽ dẫn đến đứt gãy. Ngành vi mạch đã chứng kiến sự đứt gãy ấy khi nhà máy chip đầu tiên từ những năm 1980 dừng lại và không có lớp kế cận, để đến một đời người sau mới bắt đầu làm lại từ khâu thiết kế.

Mãi sau này, trong nhiều cuộc trò chuyện về ngành, anh Nguyễn Thanh Yên vẫn nhớ nhất về DC40 - con chip làm đi làm lại nhiều lần nhất, những đêm đi FIB ở Thượng Hải, cuộc gọi 3 giờ sáng từ Mỹ. Anh hiểu rằng "liên tục đào tạo các lứa sinh viên, tin tưởng, giao việc cho các bạn là cách ‘bù pha’ tốt nhất để giữ bền vững cho vi mạch Việt Nam".

Trong bối cảnh Việt Nam đặt mục tiêu phát triển ngành bán dẫn, câu chuyện của Steven Huỳnh cho thấy, nhà máy hàng tỷ USD là điều kiện cần, nhưng chưa đủ. Điều kiện đủ là những startup dám chấp nhận tape-out thất bại, dám đầu tư cho vòng đời nghiên cứu sản phẩm dài, dám bảo vệ kỹ sư trẻ trong một ngành gần như không cho phép sai.

Anh Huề gọi Steven là "người anh Cả, người thầy vi mạch". Một người "kiệm lời nhưng tình cảm, âm thầm làm việc nhưng rất quyết liệt, sáng tạo". Những phẩm chất ấy, vừa vặn với thiết kế vi mạch đòi hỏi sự "khoa học, cẩn trọng, tỉ mỉ, chính xác gần như tuyệt đối".

Steven Huỳnh vừa đột ngột ra đi, nhưng lớp kỹ sư trưởng mà ông đào tạo vẫn đang ở lại, tiếp tục thiết kế những con chip mới, tiếp tục "bù pha" cho vòng hồi tiếp của thế hệ sau.

Dấu chân kỹ sư Việt Nam hôm nay đã có mặt ở nhiều nơi. Những con chip trong xe ô tô ngoài kia có phần thiết kế của đội ngũ RVC Việt Nam thuộc Renesas. Các thiết bị mạng của những hãng lớn từng dùng lõi IP do kỹ sư Việt tại Arrive - nay thuộc về Marvell Việt Nam - phát triển. Và trong hàng tỷ thiết bị điện tử, những con chip quản lý nguồn do Active Semi vẫn đang âm thầm vận hành.

Kỹ sư Việt Nam đã ở trong những bài toán lớn của thế giới. Nhưng để những bài toán ấy không chỉ mang tên tập đoàn nước ngoài, mà còn sinh ra từ doanh nghiệp nội địa, do người Việt chủ biên, Việt Nam cần một hệ sinh thái đủ dày - nơi có nhiều startup, nhiều doanh nghiệp thiết kế nội địa, có những người thầy dám giao trọn một con chip cho người trẻ.

---

Tài liệu tham khảo:

[1] https://tiasang.com.vn/co-thi-truong-moi-co-nha-may-chip-5013826.html

[2] https://semiwiki.com/semiconductor-manufacturers/tsmc/365049-a-brief-history-of-tsmc-through-2025/?

[3] https://www.semiconductors.org/wp-content/uploads/2022/11/2022_The-Growing-Challenge-of-Semiconductor-Design-Leadership_FINAL.pdf

[4] McKinsey, Báo cáo The semiconductor decade: A trillion-dollar industry, 2022.