Cách xây dựng fab gia công chip
Bên trong những miếng silicon vuông vức nằm gọn gàng trong cả đĩa wafer tròn trong hình cover trên đây, có lúc chúng được trang bị hơn 50 tỷ transistor tí hon, nhỏ hơn đường kính sợi tóc con người 10.000 lần. Và để tạo ra những miếng silicon siêu nhỏ ấy, các hãng cần tới những “căn cứ” siêu rộng, chiều dài có khi bằng 4 sân bóng đá, chồng lên 7 tầng mới đủ chỗ làm việc. Và bên trong những nhà máy ấy, các hãng cố hết sức để giữ chất lượng không khí ở mức hoàn hảo nhất, vì một hạt bụi siêu nhỏ thôi cũng có thể ảnh hưởng đến quá trình in thạch bản, khiến cả con chip trở thành vô dụng.
Đối với nền kinh tế hiện đại, chip bán dẫn là nguồn sống cực kỳ quan trọng. Nó được trang bị bên trong máy tính, điện thoại, ô tô, thiết bị gia dụng, và vô vàn những thiết bị điện tử khác. Nhu cầu sở hữu những mẩu silicon này đã tăng vọt kể từ khi đại dịch COVID-19 bùng phát, dẫn đến những đứt gãy trong chuỗi cung ứng, và hệ quả là cơn sốt khan hiếm chip xử lý toàn cầu.
Điều đó khiến nước Mỹ nhận ra một thực tế theo cách khá bàng hoàng: Họ đang quá phụ thuộc vào chip xử lý được sản xuất ở nước ngoài. Tính ra, hơn 90% lượng chip xử lý hiện tại đang được các công ty Đài Loan sản xuất, và tỷ trọng này của Mỹ chỉ là vỏn vẹn 12%. Nhưng bản thân việc Đài Loan dẫn đầu ngành luôn bị những vấn đề như đối ngoại, thiên tai và hạn hán làm ảnh hưởng. Điều đó thôi thúc Intel tìm cách giành lại vị thế dẫn đầu ngành công nghiệp chip bán dẫn cũng như công nghệ chế tác chip, thông qua khoản đầu tư 20 tỷ USD để xây dựng và nâng cấp những fab sản xuất chip bán dẫn của họ tại Mỹ cũng như châu Âu. Hiện tại họ đang xây dựng hai fab ở Chandler, Arizona, dự kiến 3 năm nữa mới hoàn thành, và vừa công bố kế hoạch mở rộng ở New Albany, Ohio và Magdeburg, Đức.
Những hình ảnh dưới đây được tờ NYT ghi lại ở hai fab sản xuất chip bán dẫn của Intel tại Chandler, Arizona và Hillsboro, Oregon, để không chỉ thấy được cách con người biến những hạt cát trở thành những bộ não máy hiệu năng cao, mà còn thấy được cả quy trình xây dựng chính những nhà máy sản xuất chip nữa.
Quy trình làm một con chip của Intel
Cứ mỗi lần thay đổi tiến trình sản xuất, các nhà sản xuất chip bán dẫn lại cố gắng nhồi nhét càng nhiều transistor lên một die chip càng tốt. Nếu không làm như thế, thì chiếc điện thoại hoặc máy tính năm sau sẽ không bao giờ có hiệu năng cao hơn phiên bản ra mắt năm trước đó. Và đó cũng chính là lý do vì sao một nhà máy chế tác chip bán dẫn có chi phí lên tới hàng tỷ USD, không phải hãng nào cũng đủ tiềm lực để xây dựng.
Mỗi chiếc hộp được băng chuyền tự động trên trần nhà vận chuyển chứa đầy những tấm wafer silicon nguyên chất, sẵn sàng in thạch bản thành chip bán dẫn
Có nhà xưởng, có máy móc và nhân sự chưa phải là tất cả. Những hãng như Intel hay TSMC phải đầu tư rất mạnh tay để nghiên cứu những “tiến trình”, tức là những bước vừa phức tạp vừa tốn kém để in thạch bản những đĩa silicon nguyên chất trở thành những mạch transistor nhỏ xíu, với khoảng cách giữa các transistor càng lúc càng giảm.
Những cỗ máy khổng lồ soi chiếu bản vẽ thiết kế của một con chip trong tổng thể cả tấm wafer, rồi đèn laser cường độ cao sẽ khắc và loại bỏ từng lớp từng lớp silicon, tạo ra những transistor tí hon và kết nối chúng lại với nhau. Tối đa, dây chuyền của Intel tại Arizona có thể xử lý cùng lúc 25 tấm silicon trong toàn bộ quá trình gia công.
Để biến những wafer silicon trở thành từng con chip đơn lẻ có thể tốn đến 2 tháng trời. Những năm gần đây, TSMC đã trở thành đơn vị dẫn đầu về tốc độ gia công chip, với những ‘gigafab’ khổng lồ, vận hành cùng lúc 4 dây chuyền với quy mô gần giống như của Intel. Các chuyên gia ước tính, mỗi tháng một gigafab của TSMC có thể tạo ra 100.000 tấm wafer, còn hai nhà máy với trị giá 10 tỷ USD mà Intel đang lên kế hoạch xây dựng tại Arizona thì ước tính mỗi dây chuyền một tháng sẽ tạo ra 40 nghìn wafer hoàn chỉnh.
Wafer được đóng gói thế nào khi hoàn thành
Tấm đĩa silicon tròn in những con chip hình chữ nhật sau đó sẽ được cắt ra để nhặt những die chip hoàn chỉnh, rồi nhà sản xuất sẽ tiến hành thử nghiệm từng die chip để xem chúng có hoạt động hoàn hảo như mong muốn hay không. Quá trình “đãi cát tìm vàng” này gọi là chip binning. Những con chip đủ chất lượng thương mại hóa được gói vào bao bì nhựa để đem đi gia công hoàn thiện, hoặc hàn chết lên PCB của các thiết bị, hoặc hàn lên bo mạch để tạo ra một con chip CPU máy tính để bàn có thể tháo rời.
Với sự trỗi dậy của công nghệ chip xếp chồng 3D hoặc đặt cạnh nhau dưới dạng chiplet, những giải pháp xếp lớp chip bán dẫn đang trở thành giải pháp cạnh tranh mới của các hãng.
Sự khác nhau giữa các fab gia công chip
Một wafer tạo ra vài chục đến vài trăm chip bán dẫn dựa trên kích thước mỗi die, và đối với Intel, một CPU thương mại hóa của họ bán với giá từ vài chục đến vài nghìn USD, phụ thuộc vào việc chúng là Pentium hay Xeon Platinum. Một hạt bụi li ti, mắt thường không nhìn thấy được, cũng đủ sức khiến một die chip hoặc cả tấm wafer trở thành vô dụng. Vì thế, phòng sản xuất của các fab gia công chip bán dẫn có khi còn sạch hơn cả chất lượng không khí bên trong một phòng phẫu thuật ở các bệnh viện, với những hệ thống vô cùng phức tạp để lọc không khí, cũng như điều hòa nhiệt độ và độ ẩm.
Một yếu tố ít khi được nhắc đến nữa chính là rung động địa chất. Vì kích thước một transistor quá nhỏ, nên chỉ cần rung động nhỏ của bề mặt đất nền thôi cũng khiến máy móc vận hành sai. Những fab gia công chip bán dẫn luôn phải được xây dựng trên nền bê tông dày, phái dưới là những hệ thống tiêu giảm rung động phức tạp.
Một phần không thể thiếu khác là lượng chất lỏng và khí khổng lồ cần thiết hoặc được tạo ra trong quá trình chế tác những wafer chip bán dẫn. Ở tầng thượng nhà máy của Intel, những cánh quạt khổng lồ được dùng để điều hòa không khí cho những “phòng sạch” chế tác chip, còn bên dưới dây chuyền sản xuất là hàng nghìn máy bơm, máy biến áp, tủ điện, ống dẫn và đường ống làm lạnh để phục vụ cho những cỗ máy khổng lồ đang xử lý những tấm silicon.
Đọc thêm:
Xã hội Nano – khái niệm mới cho văn hóa cá nhân đương đại
Nước tiểu và những công dụng trong thời La Mã cổ đại
Hình học hữu hạn là gì, và ảnh hướng của nó
Sản xuất chip cần một lượng nước sạch khổng lồ
Gia công chip bán dẫn cần lượng nước sạch khổng lồ, dùng trong những công đoạn làm sạch bề mặt tấm wafer silicon ở nhiều công đoạn chế tác khác nhau. Hai nhà máy của Intel tại Chandler, Arizona một ngày tiêu thụ khoảng… 41 triệu lít nước (11 triệu gallon) từ nguồn nước của bang. Những nhà máy đang xây dựng của Intel sẽ cần nhiều hơn thế, tạo ra một áp lực không hề nhỏ đối với một bang dễ gặp tình trạng hạn hán như Arizona. Chính quyền bang trước đó cũng đã phải cắt giảm nguồn cung ứng nước sạch cho nông dân tại đây.
Nhà máy xử lý nước Hillsboro, do Intel xây dựng và vận hành
Nhưng điều may mắn là, hệ thống tưới tiêu phục vụ nông nghiệp còn cần nhiều nước hơn thế, và nhà máy tại Chandler của Intel kỳ thực đủ sức lọc để “trả lại” cho nguồn nước sạch khoảng 82% tổng lượng nước họ sử dụng hàng ngày để sản xuất chip. Hệ thống lọc nước này được chính Intel bỏ tiền ra vận hành, để cấp nước cho tưới tiêu nông nghiệp hoặc những nhu cầu không phải ăn uống của người dân, như vệ sinh hoặc giặt giũ chẳng hạn.
Intel kỳ vọng đến năm 2030 họ có thể giúp Arizona và những bang có xây dựng nhà máy chế tác chip tăng lưu lượng nước sạch, bằng cách hợp tác với những nhóm hoạt động vì môi trường và những dự án bảo vệ nguồn nước sạch cho người dân.
Một fab gia công chip được xây dựng ra sao?
Nếu như những hình ảnh ở trên được chụp từ fab gia công chip của Intel tại Chandler, Arizona, thì tại Hillsboro, Oregon, gã khổng lồ nước Mỹ đang xây dựng nhà máy mới, đòi hỏi sự tham gia của khoảng 5.000 nhân công có tay nghề, và mất 3 năm mới hoàn thành.
Chỉ riêng việc đào đất làm nền móng cho nhà máy, đội ngũ xây dựng đã phải giải quyết khối lượng đất khổng lồ với thể tích gần 700 nghìn mét khối. Sau đó, họ sẽ phải sử dụng khoảng 100 nghìn tấn thép và khoảng 340 nghìn mét khối bê tông để xây dựng nhà máy. Lượng vật liệu này thậm chí còn nhiều hơn cả những gì cần thiết để xây dựng tòa nhà chọc trời cao nhất thế giới hiện tại, tòa Burj Khalifa ở Dubai, UAE.
Bản thân CEO Intel, Pat Gelsinger cũng đang vận động hành lang để nghị viện Mỹ cấp khoản hỗ trợ, dùng cho việc xây dựng các nhà máy sản xuất chip mới, với mục tiêu là giảm phụ thuộc vào chip bán dẫn Đài Loan. Để đảm bảo những khoản đầu tư khổng lồ của Intel không lãng phí, ông Gelsinger khẳng định những fab gia công chip có thể được trang bị những thế hệ thiết bị khác nhau để đáp ứng với những thay đổi của thị trường.
Đối với cơn sốt khan hiếm chip bán dẫn, Intel nói chung và CEO Gelsinger nói riêng sẽ phải có những kế hoạch thực sự chi tiết, bao gồm cả kế hoạch chế tác chip bán dẫn cho các hãng khác. Nhưng chỉ riêng Intel là chưa đủ. Để tạo ra một chiếc laptop hay một chiếc smartphone, cần sự hợp tác và sản phẩm của rất nhiều đơn vị trong cả chuỗi cung ứng, và cần sự kết hợp của cả những loại chip sản xuất trên những tiến trình mới và cũ.
Một điều cuối cùng phải khẳng định, ngành chip bán dẫn không phải một ngành mà một quốc gia đơn lẻ có thể tự cung tự cấp. Tự chủ nguồn cung chip bán dẫn là một chuyện, nhưng để làm được điều đó, Intel, hay bất kỳ hãng chip nào khác cũng luôn phải phụ thuộc vào một mạng lưới khổng lồ các công ty toàn cầu để cung cấp nguyên liệu thô, thiết bị sản xuất, phần mềm thiết kế, nhân sự và quy trình sản xuất đặc biệt…
