Ngành sản xuất CHÍP BÁN DẪN: Doanh nghiệp Việt chọn hướng tham gia như thế nào?

Một bài nghiên cứu của C+ Consult. với mục đích đi sâu vào tìm hiểu ngành sản xuất chíp bán dẫn (semiconductor) và chuỗi giá trị của nó, nhằm tìm ra những hướng tham gia phù hợp cho doanh nghiệp Việt Nam ứng với lợi thế và nguồn lực chung. 

Trong buổi họp báo sau Hội đàm của Tổng Bí Thư Việt Nam và Tổng Thống Hoa Kỳ về nâng cấp quan hệ hai quốc gia lên Đối tác chiến lược toàn diện tại Hà Nội ngày 10/09/2023, Tổng Thống Joe Biden đã nhấn mạnh rằng “Mỹ sẽ hỗ trợ Việt Nam về công nghệ bán dẫn, chuyển đổi xanh và đào tạo nguồn nhân lực, cho phép Việt Nam nghiên cứu sâu hơn để tham gia vào cả chuỗi giá trị khu vực và toàn cầu”. Điều này cho thấy tầm quan trọng của chíp bán dẫn không chỉ đối với Hoa Kỳ mà còn với nhiều ngành sản xuất thiết yếu. Việc thiếu hụt nguồn cung chíp bán dẫn trước đây đã từng làm đứt gãy chuỗi cung ứng ở một số ngành nghề. Không quá khi chíp bán dẫn được mệnh danh là xương sống của kỷ nguyên công nghệ.

Kỳ 1: Chuỗi cung ứng – Cả thế giới phụ thuộc lẫn nhau

Một sản phẩm Chip bán dẫn hoàn chỉnh sẽ cần trải qua một quy trình phức tạp với nhiều công đoạn đòi hỏi sự đầu tư ban đầu rất lớn với rất nhiều máy móc, thiết bị đắt tiền. Việc thiết kế và xây dựng một nhà máy sản xuất chip bán dẫn phức tạp và khi đi vào vận hành cần nguồn nhân lực có kỹ thuật cao, kinh nghiệm; thời gian triển khai kéo dài, và quan trọng nhất là công nghệ sản xuất luôn phải được cải tiến liên tục. Không bất kỳ một quốc gia hay một công ty độc lập nào có thể độc lập phát triển và sản xuất chip bán dẫn.

Nói cách khác, để hình thành nên một chip bán dẫn thành phẩm cần có một hệ sinh thái gồm hàng trăm, thậm chí hàng nghìn, công ty tại nhiều quốc gia hợp sức cùng nhau. Có thể nói, một số tập đoàn vừa là đối thủ cạnh tranh nhưng cũng vừa là đối tác phụ thuộc lẫn nhau trong một hệ sinh thái.

Theo ước tính của công ty tư vấn Accenture, để 1 sản phẩm để được “xuất xưởng” đến tay người tiêu dùng cần 4-6 tháng, trong đó các thành phần tạo nên một chip có thể được chuyển qua lại giữa các quốc gia khoảng 70 lần, trải qua hơn 500 giai đoạn khác nhau từ thiết kế đến chế tạo tại nhà máy rồi được lắp ráp và thử nghiệm tại các cơ sở chuyên dụng.

Quy trình sản xuất phức tạp

Một quy trình đầy đủ cho ra đời một chip bán dẫn thành phẩm trước khi được tích hợp vào các thiết bị cuối (thiết bị điện tử ứng dụng) gồm các giai đoạn: (1) Nghiên cứu – (2)Thiết kế – (3) Sản xuất – (4) Lắp ráp, thử nghiệm, và đóng gói; trong đó giai đoạn (1) & (2) thuộc công đoạn nghiên cứu thiết kế, giai đoạn (3) & (4) thuộc sản xuất.

(1) Nghiên cứu: Chiếm từ 15% ~ 20% trong chuỗi giá trị. Đây là giai đoạn Nghiên cứu nhằm mục đích xác định các vật liệu cơ bản và các quá trình hóa học gieo mầm những đổi mới trong kiến trúc thiết kế và công nghệ sản xuất. Sau những quá trình thử nghiệm, các nghiên cứu mang tính khả thi cạnh tranh sẽ được chuyển qua bước thương mại hoá tiếp theo.

(2) Thiết kế chip: Đây là giai đoạn đầu tư chất xám và công nghệ nhiều nhất, cũng là giai đoạn chiếm đến 50% chuỗi giá trị của việc sản xuất chip bán dẫn. Bởi vì các công ty thiết kế chip phải phụ thuộc vào phần mềm thiết kế và tài sản trí tuệ đòi hỏi đầu tư nhiều vào kiến thức và công nghệ. Ví dụ như việc phát triển các chip phức tạp như bộ xử lý “hệ thống trên chip” (SoC) cung cấp năng lượng cho điện thoại thông minh ngày nay đòi hỏi nhiều năm nỗ lực bởi một đội ngũ lớn gồm hàng trăm kỹ sư, cộng với việc tận dụng các dịch vụ hỗ trợ thiết kế và IP bên ngoài.

(3) và (4) Sản xuất và đóng gói: Chiếm 25% ~ 30% trong chuỗi giá trị nhưng lại là giai đoạn đòi hỏi nguồn vốn đầu tư khổng lồ vào máy móc thiết bị, hoá chất thử nghiệm, và việc sản xuất các tấm silicon wafer.

Quy trình sản xuất các tấm wafer cũng rất phức tạp, bao gồm các bước:

* Chuẩn bị Wafer (Blank Wafer): khối tinh thể silicon hình trụ (nặng hơn 90kg/ khối) được cắt gọn thành tấm Silic có độ dày 1mm và được xử lý và đánh bóng (polished) đến độ hoàn hảo (flawless).

* Quá trình xử lý để hình thành các thành phần điện tử (Finished Wafer): Sau khi nhà máy nhận được các Wafer, các kỹ sư sẽ sử các kỹ thuật phức tap như in thạch bản (quang khắc), cấy ghép, làm phẳng, thụ động hóa và các kỹ thuật lặng đọng để tạo ra hơn 60 lớp bán dẫn có mạng lưới kết nối chúng với nhau. Quá trình thực hiện trên tấm Wafer có thể cần đến 350 bước trong 45-60 ngày hoặc hơn 60 ngày với trên 700 bước.

Quá trình oxy hóa và lớp phủ (Oxidation and Coating)

Quang khắc (Lithography)

Khắc (etching)

Hoá khắc (Doping)

Lắng đọng kim loại và khắc (metal deposition & etching)

Mỗi tấm wafer hoàn chỉnh sẽ chứa hàng trăm mạch tích hợp giống hệt nhau. Các tấm wafer sẽ được gửi đến các nhà máy sản xuất phụ trợ để tiếp tục thực hiện công đoạn lắp ráp, đóng gói và thử nghiệm.

Ở giai đoạn cuối cùng của quy trình, các công nhân sẽ thực hiện công tác kiểm tra bề mặt tấm Wafer để tìm khuyến khuyết, xác định mạch in có trùng khớp với thiết kế trước khi được cắt rời thành từng chip riêng lẻ (die) để tiến hành thực hiện một loạt các xử lý khác như mài mỏng phần mặt dưới của chip (back grinding), nối ra các pins, dùng chì mạ vàng hoặc đồng (bonding), phủ lớp cách điện (mold), ghi tên hãng sản xuất (marking), etc.

Hình 1: Minh họa việc sản xuất tấm Wafer _ theo BCG & SIA.

Chuỗi giá trị và tính lệ thuộc toàn cầu

Như đã đề cập ở trên, các thành phần tạo nên một chip có thể được chuyển qua lại giữa các quốc gia khoảng 70 lần, trải qua hơn 500 giai đoạn khác nhau (tham khảo biểu đồ mô tả hệ sinh thái của chất bán dẫn) tuy nhiên chuỗi cung ứng và sản xuất toàn cầu hiện được “dẫn dắt” bởi 6 ông lớn: Hoa Kỳ, Nhật Bản, Đài Loan, Hàn Quốc, Trung Quốc và Châu Âu. Cụ thể:

–  Hoa Kỳ dẫn đầu trong các hoạt động R&D chuyên sâu nhất – tự động hóa thiết kế điện tử (EDA), sở hữu trí tuệ cốt lõi (IP), thiết kế chip và thiết bị sản xuất tiên tiến – nhờ sở hữu các trường đại học hàng đầu thế giới, đội ngũ nhân tài/ kỹ sư dồi dào và hệ sinh thái đổi mới theo hướng thị trường

–  Các nước Châu Âu, Hoa Kỳ có xu hướng chuyên về thiết kế chất bán dẫn, cùng với sản xuất Cao cấp.

–  Nhật, Hoa Kỳ, và mốt số nước Châu Âu chuyên cung cấp thiết bị, nguyên liệu.

–  Trung Quốc, Đài Loan, Malaysia và các nước châu Á khác có xu hướng chuyên môn hóa về sản xuất, lắp ráp, thử nghiệm và đóng gói.

Hiện nay, ngoài Vương quốc Anh và Hoa Kỳ, các quốc gia như Canada, Trung Quốc, Đức, Ấn Độ, Israel, Singapore, Hàn Quốc đều có những trung tâm lớn về R&D chíp bán dẫn. Riêng các nhà máy sản xuất thì được các công ty đầu ngành chọn đặt tại Costa Rica, Latvia, Mexico, Nam Phi, Malaysia, và Việt Nam.

Châu Á cũng là nơi tập trung các nhà cung cấp các nguyên vật liệu chủ chốt như là cát, đất hiếm, Wafer Silicon, chất phản quang và các loại hóa chất, etc., lợi thế đó giúp cho các quốc gia như Đài Loan, Hàn Quốc và Trung Quốc trở thành những nhà sản xuất chất bán dẫn hàng đầu.

Về quy mô sản xuất, khoảng 75% năng lực sản xuất chíp bán dẫn tập trung ở Đông Á và Trung Quốc. TSMC – Đài Loan chiếm 53% thị phần toàn cầu, Samsung -Hàn Quốc nắm 16.3% và UMC – Đài Loan chiếm 5.7% thị phần. Đặc biệt, chiếm ưu thế trong việc sản xuất bán dẫn có “nodes” dưới 10nm là Hàn Quốc (8%) và Đài Loan (92%).

Cả quá trình sản xuất một chíp bán dẫn có sự lệ thuộc lẫn nhau mang tính toàn cầu. Hình minh họa bên dưới nêu bật sự lệ thuộc lẫn nhau này, mô tả từng công đoạn của việc hình thành một chíp bán dẫn được sử dụng trong điện thoại thông minh.

Hình 2: Bản đồ minh họa đường đi của việc sản xuất chip bán dẫn _ theo Accenture.

1, ANH QUỐC (UK): Các công ty như ARM Holdings hay Imagination được biết đến là các hãng cung cấp “cấu trúc thiết kế chip” hay còn được gọi là các bản quyền trí tuệ bán dẫn (semiconductor Intellectual Property cores) hoặc lõi IP (IP cores/ IP blocks)

2, HOA KỲ: Sau khi được cấp bản quyền sử dụng IP cores, các công ty thiết kế chip (fabless) sẽ thiết kế ra các mẫu chip với sự hỗ trợ của phần mềm thiết kế và mô phỏng chip EDA (Electronic Design Automation). Synosys, Cadence, Mentor Graphics là bộ 3 công ty có trụ sở tại Hoa Kỳ dẫn đầu về EDA và kiểm soát 70% thị trường EDA toàn cầu.

3, ẤN ĐỘ: Các bản thiết kế Chip sẽ được gửi đến nhóm kỹ sư tại Án Độ để xác minh các thông số kỹ thuật.

4, HOA KỲ: Các bản thiết kế chip sau khi đã được xác minh sẽ được các nhà OEMs tại Hoa Kỳ lựa chọn và quyết định sử dụng vào các sản phẩm hoàn thiện.

5, HÀ LAN: Xưởng đúc (foundry) sẽ nhập các máy móc/ thiết bị từ các công ty như ASML Holdings – Hà Lan, công ty lớn nhất châu Âu và duy nhất trên thế giới sở hữu công nghệ in khắc tia cực tím (EUV) để in các thiết kế cực nhỏ xác định chức năng của chip, bên cạnh các loại máy móc được sử dụng để cắt các tấm wafer.

6, ĐỨC: Vì sản phẩm cuối cùng của các nhà sản xuất công nghiệp điện tử yêu có độ chính xác cao nên ngành sản xuất chip bán dẫn đặc biệt có yêu cầu khắt khe đối với hóa chất điện tử. Các công ty của Đức, như Tập đoàn BASF, có thế mạnh ở khâu này.

7, NHẬT BẢN: Thị trường tấm bán dẫn thô (bare wafer) được cắt ra từ khối silicon nguyên chất (ingot) và chưa qua gia công bóng bán dẫn được thống lĩnh bởi các tập đoàn đến từ Nhật Bản như Shin-Etsu Chemicals, Sumco (liên doanh giữa Sumitomo Metal & Mitsubishi Materials), Soitec.

8, ĐÀI LOAN: Sau khi nhận được Wafer, các xưởng đúc (foundries) sẽ bắt đầu thực hiện các bước phức tạp để khắc hơn 60 lớp bóng bán dẫn và dây nối vào tấm bán dẫn (wafer) để hình thành vi mạch tích hợp (IC). Đài Loan hiện đang đóng vai trò quan trọng trong sản xuất chip và thống trị thị trường chip toàn cầu, dẫn đầu là TSMC.

9, HOA KỲ: Vì các công nghệ thiết kế chip được phát triển tại Hoa Kỳ nên Hoa Kỳ cũng là nơi thiết kế và cung cấp các thiết bị kiểm nghiệm chip bán dẫn được các công ty ở khâu lắp ráp, đóng gói và kiểm tra chip (OSAT) sử dụng.

10, MALAYSIA: Trên quy mô toàn cầu, Malaysia hiện chiếm 13% thị phần khâu kiểm tra, đóng gói và thử nghiệm chip bán dẫn. Malaysia đang là cứ điểm lớn nhất của Intel tại nước ngoài về lắp ráp và kiểm thử chíp.

Nguồn: Tổng hợp nhiều bài nghiên cứu của BCG, McKinsey, SIA, Accenture, v.v…