TẠI SAO TRUNG QUỐC ĐẶT CƯỢC LỚN VÀO CHIPLET?

Bằng cách kết nối nhiều chip kém tiên tiến hơn thành một, các công ty Trung Quốc có thể lách các lệnh trừng phạt do chính phủ Mỹ đặt ra.

Trong mấy năm qua, các lệnh trừng phạt của Mỹ đã khiến ngành công nghiệp bán dẫn Trung Quốc bị bóp nghẹt. Mặc dù các công ty Trung Quốc vẫn có thể sản xuất chip phục vụ cho nhu cầu sử dụng hiện tại, nhưng họ không được phép nhập khẩu một số công nghệ sản xuất chip, khiến họ gần như không thể sản xuất các sản phẩm tiên tiến hơn.

Tuy nhiên, cái khó ló cái khôn. Một công nghệ tương đối mới được gọi là chiplet hiện đang mang lại cho Trung Quốc cách lách các lệnh cấm xuất khẩu này, giúp tạo dựng năng lực tự chủ và theo kịp các nước khác, đặc biệt là Mỹ.

Trong năm qua, cả chính phủ Trung Quốc lẫn các nhà đầu tư mạo hiểm đều tập trung vào việc thúc đẩy ngành công nghiệp chiplet trong nước. Các nhà nghiên cứu hàn lâm được khuyến khích giải quyết các vấn đề tiên tiến nhất liên quan đến chế tạo chiplet, trong khi một số công ty khởi nghiệp về chiplet, như Polar Bear Tech, đã sản xuất những sản phẩm đầu tiên của họ.

Ngược lại với các chip truyền thống, vốn tích hợp tất cả các thành phần trên một miếng silicon duy nhất, các chiplet có cách tiếp cận theo mô- đun. Mỗi chiplet có một chức năng riêng, như xử lý hoặc lưu trữ dữ liệu; sau đó, chúng được kết nối để trở thành một hệ thống. Vì mỗi chiplet nhỏ và chuyên dụng hơn nên chi phí sản xuất rẻ hơn và ít có khả năng bị lỗi hơn. Đồng thời, có thể thay đổi từng chiplet riêng rẽ trong hệ thống bằng phiên bản mới, tốt hơn để cải thiện hiệu suất, trong khi, các thành phần chức năng khác vẫn được giữ nguyên.

Chiplet được MIT Technology Review bình chọn là một trong 10 Công nghệ đột phá của năm 2024. Các công ty hùng mạnh trong lĩnh vực chip như AMD, Intel và Apple đều sử dụng công nghệ này trong các sản phẩm của họ. Đối với những công ty này, chiplet là một trong những cách mà ngành công nghiệp bán dẫn có thể tiếp tục tăng công suất tính toán của chip bất chấp giới hạn vật lý của chúng. Còn đối với các công ty chip Trung Quốc, họ có thể giảm thời gian và chi phí cần để phát triển trong nước những con chip mạnh hơn và cung cấp cho các lĩnh vực công nghệ quan trọng đang phát triển như AI. Để biến tiềm năng đó thành hiện thực, những công ty này cần đầu tư vào công nghệ đóng gói chip để kết nối các chiplet thành một thiết bị.

Cameron McKnight-MacNeil, nhà phân tích quy trình tại công ty tình báo bán dẫn TechInsights, cho rằng: “Phát triển các loại công nghệ đóng gói tiên tiến để thúc đẩy thiết kế chiplet chắc chắn là một trong những chiến lược “cần thực hiện” của Trung Quốc. Trung Quốc nổi tiếng là có một số công nghệ nền tảng cơ bản để triển khai chiplet”.

Đường tắt tới chip hiệu suất cao hơn

Chính phủ Mỹ sử dụng danh sách đen xuất khẩu để hạn chế phát triển ngành bán dẫn của Trung Quốc trong vài năm qua. Một trong những lệnh trừng phạt này, được áp dụng vào tháng 10 năm 2022, cấm bán cho Trung Quốc bất kỳ công nghệ nào có thể được sử dụng để chế tạo chip thế hệ 14 nanomet (loại tương đối tiên tiến nhưng không phải là tân tiến nhất) cũng như các loại chip cao cấp hơn.

Trong nhiều năm, chính phủ Trung Quốc đã tìm mọi cách để khắc phục trở ngại trong sản xuất chip, nhưng những đột phá trong các lĩnh vực như in thạch bản - quy trình sử dụng ánh sáng để chuyển mẫu thiết kế lên vật liệu nền silicon - có thể phải mất nhiều thập kỷ mới thành công. Ngày nay, Trung Quốc vẫn khá tụt hậu về năng lực sản xuất chip so với các công ty ở Đài Loan, Hà Lan và một số nơi khác. McKnight-MacNeil cho rằng, mặc dù hiện tại ,có thể thấy Tập đoàn Sản xuất Chất bán dẫn Quốc tế của Trung Quốc đã sản xuất chip 7 nanomet, nhưng các nhà nghiên cứu nghi ngờ rằng việc sản xuất rất tốn kém và năng suất thấp.

Tuy nhiên, công nghệ chiplet hứa hẹn sẽ mang lại cách khắc phục hạn chế này. Bằng cách tách các chức năng của chip thành nhiều mô-đun chiplet, nó sẽ giảm bớt khó khăn khi chế tạo từng bộ phận riêng lẻ. Nếu Trung Quốc không thể mua hoặc chế tạo được một con chip mạnh nào, họ có thể kết nối một số chiplet kém tiên tiến hơn mà họ có khả năng chế tạo ra. Kết hợp lại, họ có khả năng đạt được mức công suất tính toán giống với những con chip mà Mỹ đang chặn Trung Quốc tiếp cận.

Nhưng hướng sản xuất chip này đặt ra thách thức lớn hơn cho một lĩnh vực khác của ngành bán dẫn: đó là đóng gói, hay cụ thể là quá trình lắp ráp nhiều thành phần của chip và kiểm tra hiệu suất của thiết bị hoàn thiện. Bảo đảm nhiều chiplet có thể hoạt động cùng nhau đòi hỏi các kỹ thuật đóng gói phức tạp hơn so với các kỹ thuật đóng gói chip đơn mảnh truyền thống. Công nghệ được sử dụng trong quy trình này được gọi là đóng gói tiên tiến.

Đây là một bước dễ dàng đối với Trung Quốc. Ngày nay, các công ty Trung Quốc đảm nhiệm 38% công việc đóng gói chip trên toàn thế giới. Các công ty ở Đài Loan và Singapore vẫn kiểm soát được những công nghệ tiên tiến hơn, nhưng việc bắt kịp trên mặt trận này ít khó khăn hơn.

Harish Krishnaswamy, giáo sư nghiên cứu về viễn thông và thiết kế chip tại Đại học Columbia, cho biết: “Việc đóng gói được chuẩn hóa ít hơn, ít tự động hơn. Nó phụ thuộc nhiều vào các kỹ thuật viên lành nghề”. Và vì chi phí lao động ở Trung Quốc vẫn rẻ hơn đáng kể so với ở phương Tây, nên ông cho rằng Trung Quốc sẽ không phải mất nhiều thập kỷ để bắt kịp.

Tiền đang được rót vào ngành chiplet

Giống như bất cứ mọi lĩnh vực trong ngành bán dẫn, phát triển chiplet đều rất tốn tiền. Nhưng bị thôi thúc bởi ý thức phải cấp thiết phát triển nhanh chóng ngành công nghiệp chip trong nước, chính phủ Trung Quốc và các nhà đầu tư khác đã bắt đầu đầu tư vào các nhà nghiên cứu và công ty khởi nghiệp về chiplet. Tháng 7 năm 2023, Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia Trung Quốc, quỹ nghiên cứu cơ bản hàng đầu của nhà nước, đã công bố kế hoạch tài trợ cho 17 đến 30 dự án nghiên cứu chiplet liên quan đến thiết kế, sản xuất, đóng gói, v.v. Cơ quan này cho biết họ dự định cấp từ 4 đến 6,5 triệu USD tài trợ nghiên cứu trong 4 năm tới và mục tiêu là tăng hiệu suất chip lên “một đến hai độ”.

Quỹ này tập trung nhiều hơn vào nghiên cứu học thuật, nhưng một số chính quyền địa phương cũng sẵn sàng đầu tư vào các cơ hội công nghiệp trong lĩnh vực chiplet. Vô Tích, một thành phố có quy mô trung bình ở miền đông Trung Quốc, đang định vị mình là trung tâm sản xuất chiplet - một “Valley Chiplet”. Năm ngoái, các quan chức chính quyền Vô Tích đã đề xuất thành lập quỹ trị giá 14 triệu USD để đưa các công ty chiplet tới thành phố, và quỹ này đã thu hút được một số công ty trong nước. Đồng thời, một loạt các công ty khởi nghiệp Trung Quốc định vị hoạt động trong lĩnh vực chiplet đã nhận được hỗ trợ kinh doanh.

Polar Bear Tech, một công ty khởi nghiệp Trung Quốc đang phát triển các chiplet phổ thông và chuyên dụng, đã nhận được hơn 14 triệu USD đầu tư vào năm 2023. Công ty này đã phát hành con chip AI dựa trên chiplet đầu tiên, chip “Qiming 930”, vào tháng 2 năm 2023. Một số công ty khởi nghiệp khác, như Chiplego, Calculet và Kiwimoore cũng đã nhận được hàng triệu đô la để sản xuất các chiplet chuyên dụng cho ô tô hoặc các mô hình trí tuệ nhân tạo đa phương thức.

Vẫn tồn tại những thách thức

Tuy vậy, vẫn phải có sự đánh đổi trong việc lựa chọn hướng chiplet. Mặc dù thông thường nó giúp giảm chi phí và cải thiện khả năng tùy chỉnh, nhưng có nhiều bộ phận trong một con chip cũng có nghĩa là cần nhiều kết nối hơn. Nếu một trong số chúng gặp sự cố, toàn bộ chip có thể bị lỗi, do đó, mức độ tương thích cao giữa các mô-đun là rất quan trọng. Việc kết nối hoặc xếp chồng nhiều chiplet cũng có nghĩa là hệ thống này sẽ tiêu thụ nhiều điện năng hơn và có thể nóng lên nhanh hơn. Việc này có thể làm giảm hiệu suất hoặc thậm chí làm hỏng chính con chip.

Để tránh những vấn đề này, các công ty thiết kế chiplet khác nhau phải tuân thủ các giao thức và tiêu chuẩn kỹ thuật giống nhau. Trên toàn cầu, năm 2022, các công ty lớn đã cùng nhau đề xuất Universal Chiplet Interconnect Express (UCIe), một tiêu chuẩn mở về cách kết nối các chiplet.

Nhưng tất cả chủ thể tham gia đều muốn mình có sức ảnh hưởng hơn, nên một số công ty Trung Quốc đã đưa ra tiêu chuẩn chiplet của riêng họ. Trên thực tế, các liên minh nghiên cứu khác nhau đã đề xuất ít nhất hai tiêu chuẩn chiplet của Trung Quốc làm phương án thay thế cho UCIe vào năm 2023 và tiêu chuẩn thứ ba ra mắt vào tháng 1 năm 2024 tập trung vào việc truyền dữ liệu thay vì kết nối vật lý.

Nếu không có tiêu chuẩn chung được mọi người trong ngành công nhận, các chiplet sẽ không thể đạt được mức độ tùy chỉnh mà công nghệ này hứa hẹn. Và nhược điểm này của chúng có thể khiến các công ty trên toàn thế giới quay trở lại với chip nguyên khối truyền thống. Đối với Trung Quốc, theo đuổi công nghệ chiplet sẽ không đủ để giải quyết các vấn đề khác, ví dụ như khó khăn trong việc có được hoặc chế tạo các máy in thạch bản.

Kết hợp một số chip kém tiên tiến hơn có thể giúp tăng hiệu suất cho các công nghệ chip của Trung Quốc và thay thế những chip tiên tiến mà nước này không thể tiếp cận, nhưng họ sẽ không thể tạo ra một con chip vượt xa các sản phẩm hàng đầu hiện có. Và khi chính phủ Mỹ liên tục cập nhật và mở rộng các lệnh trừng phạt bán dẫn, thì công nghệ chiplet cũng có thể bị hạn chế.

Tháng 10 năm 2023, khi Bộ Thương mại Mỹ sửa đổi lệnh trừng phạt trước đó đối với ngành bán dẫn Trung Quốc, họ đã đưa ra một số phát ngôn mới đề cập đến chiplet. Bản sửa đổi đã bổ sung các thông số mới xác định công nghệ nào bị cấm bán cho Trung Quốc và một số thông số bổ sung đó dường như được điều chỉnh để đo lường mức độ tiên tiến của các chiplet.

Mặc dù các nhà máy chip trên khắp thế giới không bị hạn chế sản xuất chip kém tiên tiến hơn cho Trung Quốc, tài liệu của Bộ Thương mại cũng yêu cầu những công ty này đánh giá liệu các sản phẩm này có thể trở thành một phần của chip tích hợp mạnh hay không, gây thêm áp lực cho họ trong việc xác minh các sản phẩm của họ không trở thành một bộ phận ở một sản phẩm nào đấy có thể bị cấm xuất khẩu sang Trung Quốc.

Với tất cả những trở ngại thực tiễn và chính trị như vậy, việc phát triển công nghệ chiplet vẫn sẽ phải mất một thời gian cho dù ý chí chính trị và đầu tư được dồn vào lĩnh vực này như thế nào. Đây có thể là lối tắt để ngành bán dẫn Trung Quốc tạo ra những con chip mạnh hơn, nhưng chắc chắn, nó không phải là giải pháp thần kỳ cho cuộc chiến công nghệ Mỹ-Trung./.

Theo Bản tin Khởi nghiệp đổi mới sáng tạo, số 9/2024

      Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ quốc gia.