Chuỗi cung ứng ngành bán dẫn
File

Thung lũng Santa Clara của Mỹ không phải là một cái tên được nhiều người biết đến trên thế giới. Nhưng trên thực tế, thung lũng này nổi tiếng với một địa danh khác: Thung lũng Silicon (Silicon Valley). Đây là tên gọi do nhà báo Don Hoefler đặt ra vào năm 1970. Thật ra Silicon Valley bao gồm phần phía bắc của thung lũng và phần phía nam của San Francisco, hàm ý chỉ toàn bộ cộng đồng công nghệ cao của khu vực này. Giờ đây nhắc đến Silicon là người ta nghĩ đến những cái tên như Facebook, Google, Apple, vốn đã trở thành nền tảng của ngành kinh tế số. Nhưng tên của thung lũng, Silicon, không nhiều người để ý đến, là tên của nguyên tố tạo thành chất bán dẫn, thành phần chính để làm ra những con chip xử lý, và tạo thành 1 ngành công nghiệp, ngành công nghiệp chế tạo chip hay ngành công nghiệp chất bán dẫn.

Chip máy tính, bộ vi xử lý, hay IC (viết tắt của Intergrated Circuit - mạch tích hợp), vi mạch và một số tên gọi khác đều để chỉ chung một thứ: miếng, là nền tảng của toàn bộ nền kinh tế kỹ thuật số và an ninh quốc phòng của thế giới. Chúng ta cũng có những con chip khác nhau với tên gọi khác nhau theo chức năng mà chúng phục vụ. Chúng ta có CPU là bộ vi xử lý trên máy tính, chúng ta có bộ nhớ (Memory) lưu trữ dữ liệu, có các chip RFID trong công nghệ giám sát các đối tượng mà không cần tiếp xúc, ví dụ dùng để cấy vào các cơ thể sống hay thực phẩm. Chúng ta có các mạch IC logic tiêu chuẩn để xử lý các lệnh logic trong nhiều thiết bị điện tử từ gia dụng cho tới chuyên dụng. Các chip ASIC dành cho phát triển ứng dụng cụ thể, như điều khiển lò nướng, xe hơi máy giặt hay tính toán đào tiền điện tử. Các bộ vi điều khiển (microcontroller) chứa tất cả bộ phận của một máy tính nhỏ như bộ nhớ chương trình, ALU, bộ nhớ và thanh ghi... và đó chưa phải là tất cả.

Ngành công nghiệp sản xuất chip, giống các ngành khác, cũng khởi đầu với quy trình sản xuất tập trung. Con chip được làm từ đầu tới cuối tại một nhà máy. Nhưng mọi thứ đã bắt đầu thay đổi vào năm 1961, khi Fairchild Semiconductor, hãng sản xuất chip của Mỹ thành lập năm 1957, có trụ sở tại San Jose, bắt đầu chuyển công đoạn lắp ráp và thử nghiệm sản phẩm sang Hồng Kông để sử dụng nguồn nhân lực giá rẻ. Xu hướng phân rã chuỗi cung ứng đã nhanh chóng tăng tốc khi các con chip trở nên phức tạp hơn và quy mô ngành công nghiệp trở nên đủ lớn. Nhiều quy trình sản xuất đã được chuyển giao cho các công ty chuyên gia công. Kết quả là chúng ta có một sơ đồ với nhiều loại chuỗi cung 0.

 

File

Tính phổ dụng của các con chip đã dẫn đến sự phát triển của một ngành công nghiệp toàn cầu rộng lớn. Các vi mạch hiện đại hàng tỷ linh kiện được sản xuất tại các nhà máy cực kỳ tiên tiến với vốn đầu tư hàng chục tỷ USD. Sản phẩm chip cực kỳ phức tạp này đã tạo ra một chuỗi cung ứng phức tạp tương xứng liên quan đến hàng ngàn công ty trên toàn thế giới. Báo cáo thường niên năm 2017 của Hiệp hội Công nghiệp Bán dẫn của Mỹ cho biết, một trong những công ty thành viên của Hiệp hội có quan hệ với hơn 16 nghìn nhà cung cấp, trong đó có hơn 8.500 nhà cung cấp ở bên ngoài nước Mỹ. Việc có thể chế tạo ra những con chip với sự phức tạp ngoài sức tưởng tượng như vậy cho chúng ta thấy chuyên môn hóa và thương mại hóa mang lại khả năng mạnh mẽ ra sao cho một ngành công nghiệp. Và một khi cấu trúc của một ngành công nghiệp rộng lớn, phát triển nhanh và quan trọng đối với nền kinh tế toàn cầu như ngành chế tạo chip này đã hình thành, việc tác động thay đổi cấu trúc đó cũng như cơ cấu của nó sẽ không hề dễ dàng, đòi hỏi một nguồn lực khổng lồ.  

Một hành trình điển hình từ nguyên liệu silicon đến con chip thành phẩm cho thấy mức độ phức tạp của chuỗi cung ứng, có thể bắt đầu từ nơi có trữ lượng silica (SIO2- Silicon Dioxide) đạt chuẩn cao nhất, phân bố tại một vài nơi trên thế giới. Một trong những nơi đó là vùng mỏ tại khu vực núi Applacachia của Mỹ. Quặng khai thác được sau đó có thể được chuyển đến Nhật Bản để luyện thành các thỏi silicon nguyên chất. Tiếp theo các thỏi silicon sẽ được “xắt” thành các miếng mỏng vỡ 3/4 mm, gọi là “Wafer”, với kích thước tiêu chuẩn rộng 30 mm, sẽ làm vật liệu nền để tạo ra các vi mạch. Những miếng Wafer này sẽ được gửi đến một nhà máy chế tạo chip 2 vẫn được gọi là các fab (viết tắt của Fabrics), thường đặt ở Đài Loan hoặc Hàn Quốc. Tại đây người ta sẽ in các mẫu nền (patern) cụ thể lên các miếng silicon, sử dụng thiết bị quang khắc (photolithography). Các thiết bị này đa phần được sản xuất tại Hà Lan. Mẫu nền đó sẽ được xác định bởi thiết kế tổng thể (kiến trúc) của chip. Thiết kế này có thể do công ty ARN, trụ sở tại Anh cung cấp. Sau đó các mẫu thiết kế này sẽ được tùy chỉnh cho phù hợp với những ứng dụng cụ thể, tại những công ty đã mua giấy phép để chỉnh sửa hoặc giấy phép sử dụng của ARM. Tuy nhiên, những công ty muốn thực hiện việc chỉnh sửa này phải được cấp phép.

 

File

Các công ty cũng có thể có được giấy phép kiến trúc ARM để tiết kiệm lõi CPU của riêng họ bằng cách sử dụng các bộ hướng dẫn ARM các lõi này phải tuân thủ đầy đủ kiến trúc ARM. Các công ty đã thiết kế các lõi thực hiện kiến trúc ARM bao gồm Apple, ApplicationMicro, Broadcom, Cavium (hiện tại: là Marvell), Nvidia, Qualcomm và Samsung Electronics.

Sau khi hoàn tất quá trình này, sản phẩm sẽ được lắp ráp thành một gói, trong đó có miếng silicon sau khi đã được khắc, được đặt vào bên trong các hộp đựng bằng gốm hoặc nhựa quen thuộc được đặt rải rác trên bất kỳ bảng mạch nào, và sau đó đem đi thử nghiệm.

File

Những sản phẩm thiết kế này sau đó được tích hợp vào một bảng mạch. Và việc này có thể sẽ lại diễn ra ở một nơi khác, kết quả sẽ là một trong nhiều bộ phận đến các nhà máy từ Mexico đến Đức đến Trung Quốc, để lắp ráp thành robot công nghiệp, đồng hồ điện thông minh hoặc một trong hàng triệu máy tính phá vỡ dữ liệu trên đám mây. Về cơ bản có thể chia các công ty trong chuỗi sản xuất chip vào 3 nhóm: thiết kế (Design), chế tạo (Manufacture), lắp ráp và đóng gói (assembly and packaging). Trước những công đoạn này là quá trình nghiên cứu và phát triển (R&D).

Trong đó, việc sản xuất bắt đầu với hoạt động nghiên cứu tiền cạnh tranh hoặc cạnh tranh. Hoạt động R&D tiền cạnh tranh khi các bên tham gia vào ngành công nghiệp, chính phủ và các tổ chức khoa học cùng thúc đây đổi mới công nghệ. Hoạt động R&D cạnh tranh mặt khác lại thường được tiến hành bởi các công ty tư nhân nhằm làm ra sản phẩm tốt hơn thị trường. Ở công đoạn thiết kế, các công ty lên thiết kế cho các sản phẩm mới, đặc tả nó đúng với nhu cầu của khách hàng, rồi đặt nó trên các nền tảng thiết kế của mình. Các kết quả nghiên cứu là đầu vào quan trọng cho công đoạn thiết kế.

Công đoạn chế tạo bao gồm việc sản xuất các con chip theo thiết kế, yêu cầu sự chính xác tuyệt đối và làm chủ về mặt kỹ thuật, hóa học và khoa học vật liệu. Công đoạn này có chi phí cố định rất cao và cần được nâng cấp hạ tầng thương xuyên để đảm bảo bắt kịp được các tiến bộ công nghệ. Các nhà máy chế tạo thành công yêu cầu việc sử dụng năng lực công nghệ cao và các hoạt động trên quy mô lớn. Công đoạn cuối cùng trong việc sản xuất một thiết bị bán dẫn, cần thiết để kết nối một chip hay IC là lắp ráp và đóng gói. Nó nằm ở cuối của chu kỳ sản xuất và chuẩn bị đưa sản phẩm ra thị trường có nguyên liệu và giá thành nhân công cao hơn công đoạn chế tạo. Các mức độ chuyên môn hóa khác nhau và phân định theo chức năng trong chuỗi giá trị đã dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của hai mô hình hoạt động trong ngành công nghiệp bán dẫn: mô hình sản xuất tập trung IDM và mô hình phân tán fabless-foundry.

 

File

Với mô hình IDM, một công ty sẽ làm tất cả các công đoạn của sản xuất - thiết kế, chế tạo và tích hợp, kiểm định, đóng gói. Trong mô hình fabless - foundry, quá trình sản xuất bị chia nhỏ: những công ty chú trọng phát triển sản phẩm thương mại sẽ tập trung vào việc thiết kế ra những con chip theo ý muốn nhưng sẽ không tự chế tạo (vì vậy họ được gọi là fabless - chữ fab là viết tắt của fabriccation là chế tạo). Các công ty này sẽ ký hợp đồng chế tạo (fabriccation) với các công ty chuyên làm việc này, gọi là các công ty foundry. Ngoài ra, thường các hoạt động lắp ráp, thử nghiệm và đóng gói sẽ được thuê ngoài từ các công ty thứ ba, không nằm trong chuỗi fabless-foundry. Các công ty chuyên thực hiện hợp đồng thuê ngoài dạng này được gọi là OSAT.

Ngành công nghiệp nội địa Trung Quốc bắt đầu ở phần cuối của chuỗi giá trị này. Năng lực trong ngành của Trung Quốc cho đến giờ vẫn chủ yếu nằm ở khâu lắp ráp và đóng gói. Tuy nhiên, trên thực tế, ngành công nghiệp này tạo ra một hệ sinh thái còn phức tạp hơn nhiều. Để phục vụ cho các công ty trong chuỗi giá trị, tham gia vào hệ sinh thái này còn có các công ty cung cấp các công cụ để vẽ mạch (EDA), các công ty sở hữu các tài sản trí tuệ (IP) mà trong đó nổi tiếng nhất là ARM, chuyên cung cấp các kiến trúc, các nhà cung cấp vật liệu thô là các tấm wafer, các công cụ và thiết bị chuyên dụng, chẳng hạn như dao quang khắc để dùng ánh sáng khắc lên các tấm silicon (photolitograpphy).

Khi thiết kế các con chip, HUAWEI, cũng giống như các hãng, sẽ không thiết kế từ đầu mà sẽ mua lại các thiết kế tổng thể của ARM để chế tạo lại hay chỉnh sửa theo đúng ý dưới nhiều dạng giấy phép (xem thêm về phần ARM). Sẽ rất khó để thay đổi toàn bộ hệ sinh thái phức tạp này.  

 

File

Bài: Theo The Manager

Đồ họa: Hà Nguyên