Cuộc khủng hoảng Chip: Phần 1 – Rome không thể xây trong 1 ngày

Vào những tháng cuối năm 2020, khi mà cả thế giới vẫn đang phải vận lộn với trận đại dịch kinh hoàng nhất kể từ Đại dịch cúm Tây Ban Nha, thì một cơn bão khác đang bao vây nghành công nghiệp bán dẫn và sẽ sớm lan ra toàn cầu đúng như cách mà COVID-19 đã và đang lây lan. Thế giới hiện đang đối mặt với khủng hoảng nguồn cung chip, một hiện tượng có khả năng nghiền nát các nỗ lực phục hồi sau đại dịch của nhiều công ty và nhiều quốc gia. Mọi nghành công nghiệp, từ công nghệ đến sản xuất từ xe hơi, đến sản xuất hàng tiêu dùng đều đang cảm nhận rõ ràng áp lực của hiện trạng này.

“Nếu các phần mềm đang ngấu nghiến cả thế giới, thì những con chip chính là hàm răng.”Kif Leswing – CNBC Business News

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến nguồn cung chip, bao gồm sự gián đoạn mà đại dịch tác động lên chuỗi cung ứng, cho đến thương chiến Mỹ Trung. Tuy nhiên, có một lý do đơn giản để giải thích cho hiện trạng này: đó là sản xuất chip vô cùng khó. Ngay cả khi những con chip này đang vận hành muôn mặt của cuộc sống chúng ta, điều khiển xe cộ và xử lý mọi thanh toán, thì vẫn chỉ có một số ít các nhà máy có khả năng sản xuất ra chúng. Các nhà máy chip này – còn được gọi là fab – là những nhà xưởng ít ỏi có đủ cơ sở vật chất, nguồn nhân lực cũng như tri thức về một trong những nghành kĩ thuật phức tạp nhất của nhân loại. Bài viết này sẽ cho bạn thấy việc xây nên một fab là khó đến mức nào, một nhiệm vụ không tưởng khiến nó trở nên khác biệt so với bất kì nhà máy nào khác.

Xây dựng Fab

Fab – viết tắt cho cụm từ semiconductor fabrication facilities (cơ sở sản xuất bán dẫn) – là một khu phức hợp các nhà máy công nghệ cao khổng lồ hàng chục tỷ đô, chiếm lĩnh một diện tích hàng chục hecta, rộng gấp nhiều lần các sân vận động. Nó bao gồm các phòng sạch, cơ sở kiểm tra & đóng gói, kho bãi, máy móc và văn phòng, tất cả những thứ mà tổng giá trị là một tài sản không phải bất cứ tập đoàn hay quốc gia nào cũng có thể sở hữu. Điển hình như fab mới nhất trong kế hoạch của TSMC, đặt tại Arizona dự kiến tiêu tốn hết 12 tỉ USD [2]. Nhà máy Fab 14 của họ ở Đài Nam (Tainan) là một Gigafab có tổng diện tích 114,000 mét vuông (rộng hơn 16 sân bóng đá cộng lại), được xây dựng từ 2006 đến 2008, với khả năng sản xuất 550,000 tấm wafer 12-inch mỗi quý, biến nó thành xưởng fab 12-inch lớn nhất thế giới.

Vị trí phù hợp để xây xưởng fab tùy thuộc vào nhiều khía cạnh: chính sách thuế, nguồn nhân công chất lượng cao trong khu vực, và đặc biệt là nguồn cung điện nước ổn định. Fab 8 của GlobalFoundries ở Luther Forest, Upstate New York đã lên kế hoạch hoàn thành hệ thống cấp nước, cống ngầm và đường sá của họ trong vòng 2 năm kể từ tháng 7 năm 2009. Mọi thứ cuối cùng tiêu tốn 7 năm, cùng 65 triệu USD đổ vào việc xây dựng 1 đường ống dài 28 dặm và một nhà máy lọc nước bên bờ sông Hudson có khả năng lọc 14 triệu gallon nước mỗi ngày. Ở bên kia địa cầu, đảo quốc Đài Loan đang hứng chịu một đợt hạn hán kể từ tháng Ba 2021, và chính phủ đã phải ngừng cấp nước cho hơn 183,000 mẫu vuông đất nông nghiệp để tập trung nguồn nước cho các xưởng fab của TSMC. Một quyết định khó khăn nhưng hợp lý xét đến việc các nhà máy này đang cung cấp 92% chip dưới 10nm cho toàn thế giới, và TSMC cần 156,000 tấn nước mỗi ngày để vận hành chúng [3].

Các đặc điểm địa lý và địa chất cũng đóng vai trò quan trọng khi xây dựng nhà máy fab. Quá trình làm ra các transistor với kích cỡ nhỏ hơn đường kính sợi tóc tới 10,000 lần yêu cầu sự chính xác tuyệt đối. Thế nên mọi rung động từ môi trường bên ngoài đều phải bị giảm thiểu tới mức tối đa. Đài Loan lại nằm ở 1 vị trí thường xuyên xảy ra động đất, và TSMC đã phải xây các van chắn rung để giảm chấn động xuống khoảng 40%. Tất cả các cơ sở vật chất này đều tiêu tốn rất nhiều tiền bạc, cần được tính toán xây dựng chuẩn xác và kịp thời.

Phòng sạch

Trái tim của một nhà máy fab là các phòng sạch, nơi mà công việc sản xuất thực sự diễn ra. Trong những căn phòng này, một hạt bụi có thể trở thành trái núi so với các con transistor với kích cỡ nano, đè nát chúng và làm hỏng cả một con chip. Khí sạch cần được bơm vào liên tục cho một không gian rộng tới 5 sân bóng đá (Fab 14 của TSMC – rộng khoảng 31,000 mét vuông), và các nhân viên làm việc ở đây đều phải mặc bộ đồ phòng hộ. Những căn phòng này luôn chìm trong ánh sáng vàng vì các con chip rất nhạy cảm với tia UV. Phòng sạch được xếp hạng dựa trên độ sạch của không khí trong một môi trường có kiểm soát. Class 1 nghĩa là có tối đa 1000 hạt bụi kích cỡ nhỏ hơn 0.1um mỗi mét khối khí. Class 10 tức là có tối đa 10,000 như thế, Class 100 là tối đa 100,000 hạt, và cứ thế tiếp tục. Nếu bạn chưa hình dung được như thế là sạch cỡ nào, thì mỗi mét khối khí trong văn phòng bình thường có trên 35 triệu hạt bụi kích cỡ > 0.5um [4].

Con người là những nguồn bụi bặm khổng lồ, và vì thế nên không khi nào họ được tiếp xúc với những tấm wafer trong quá trình sản xuất. Các tấm wafer được chứa trong các hộp đặc dụng, mỗi hộp chứa được 25 wafer, và có khoảng 4,000 hộp như thế di chuyển qua lại trên các thanh ray trên trần của nhà máy Fab 7 của GlobalFoundries ở Woodlands, Singapore. Về cơ bản, trên 95% các công việc xử lý được tự động hóa bởi máy móc và chúng được điều khiển từ xa bằng các trạm điều phối.

Máy móc

Máy móc trong một nhà máy fab chiếm tới 75% tổng chi phí để xây nên nhà máy đó. Thế nên các kĩ sư sẽ cần phải chọn lọc và sắm sửa trang thiết bị một cách chuẩn xác, đảm bảo về cả mặt ngân sách lẫn thời gian biểu. Một cỗ máy quang khắc EUV xịn nhất từ ASML có thể tiêu tốn đến 120 triệu USD [5], và nhà máy cần phải nghĩ cách để mang nó đến nơi rồi lắp đặt nó vào các phòng sạch, một nhiệm vụ cực kì đau đầu. Rất nhiều các cỗ máy khác cũng tiêu tốn hàng triệu đô la, một vài cái to như chiếc xe bus, và bất kì một tai nạn nào cũng đều có thể làm hư hại cỗ máy, buộc nhà máy phải trả chúng về để sửa chữa & hiệu chỉnh, tiêu tốn thêm hàng trăm nghìn đô la và vô số chi phí khác về thời gian.

Với tất cả các chi phí đắt đỏ như vậy, người ta muốn vận hành nhà máy fab của họ ở công suất tối đa, tiết kiệm mọi khoản tiền. GlobalFoundries cho biết nhà máy của họ ở Singapore sản xuất ra khoảng 600,000 wafer mỗi năm, nhưng với mức tiêu thụ tăng vọt, họ đang sản xuất thêm 120,000 tấm nữa. Hầu như tất cả các fab đều sẽ đi vào hoạt động trước cả khi việc xây dựng nó hoàn thành, vì việc xây cất có thể tốn nhiều năm. Điều này cần đến sự quản lý và theo sát chuẩn xác để đảm bảo dòng tiền có thể được thu về sớm nhất có thể. Nó như việc lái một con thuyền ra khơi và bắt đầu lắp ráp nó giữa biển, một nhiệm vụ khó đến không tưởng, và mỗi sai lầm đều sẽ tiêu tốn thêm hàng triệu đô la.

Kết luận

“Con chip bán dẫn là bộ não. Phần mềm là trí tuệ còn dữ liệu chính là kiến thức.”Masayoshi Son – Chủ tịch & CEO của tập đoàn Softbank.

Sản xuất chip là một công việc siêu khó, nhưng cũng là một thành tựu đáng nể của nhân loại. Những con chip này là nhiên liệu cho cuộc sống, là xương sống của nhiều nghành công nghiệp trên toàn cầu. Hàng nghìn doanh nghiệp đang phụ thuộc vào các thiết bị điện tử này, và chỉ có vài nhà máy fab trên thế giới có khả năng sản xuất ra thứ họ cần. Một phần lớn của nền kinh tế toàn cầu đang nằm trong tay một nhóm nhỏ các công ty làm chip, và chỉ một đợt hạn hán trên một hòn đảo Đông Á xa xôi cũng có thể chấn động cả thế giới.

Nhiều kế hoạch xây dựng fab mới vừa được công bố, từ TSMC (12 tỷ USD ở Arizona), Intel (20 tỷ USD ở Chandler, Arizona [6]), tới Samsung (18 tỷ USD ở Austin, Texas [7]) và Bosch (Dresden, Đức[8]). Tuy nhiên, xây dựng một nhà máy fab luôn là một công việc gian nan, tiềm tàng nhiều rủi ro, chi phí đắt đỏ, và tiêu tốn thời gian. Thành Rome không thể xây nên trong một ngày, và những nhà máy fab kia cũng sẽ phải mất khá lâu mới có thể hoàn thành để giải thoát thế giới khỏi sự khủng hoảng của cơn khát chip.

Trích dẫn:

1. General Motors Says Chip Shortage Likely to Stall 2021 Earnings. The Street. Feb 10, 2021.
2. Taiwan chipmaker TSMC’s $12 billion Arizona factory could give the US an edge in manufacturing. Sherisse Pham, CNN Business. May 15, 2020.
3. Taiwan cuts water two days a week amid the worst drought in years. Elizabeth Shim, WORLD NEWS. April 16, 2021.
4. Cleanroom Classifications. 2021 Clean Air Technology, Inc.
5. EUV tool costs hit $120 million. https://www.eetimes.com/. Max LaPedus. Nov 19, 2010.
6. Intel is spending $20 billion to build two new chip plants in Arizona. Kif Leswing. Mar 23, 2021
7. Samsung Electronics to Build EUV Foundry in Austin. Korea IT News. May 18, 2021.
8. Bosch opens wafer fab of the future in Dresden. EP&T Magazine. June 8, 2021.