Nguyễn Phương Văn
4.10.2024
|
Việc mở nhà máy sản xuất chip cần đầu tư rất lớn, phải mua những thiết bị công nghệ cao không chỉ đắt tiền mà còn rất khó vận hành (và vẫn là câu chuyện cần các kỹ sư giỏi), cho nên thay vì nghĩ đến gia công cho phần sản xuất, thì Việt Nam nên nghĩ đến gia công ở khâu “phần mềm”, tức là thiết kế. |
Nên bắt đầu ngành bán dẫn của Việt Nam từ đâu, một mặt là một câu hỏi thiết thực rất khó nhận được một câu trả lời dứt khoát, mặt khác lại là câu hỏi mở với nhiều hướng trả lời khác nhau. Bản ngắn hơn của bài viết này đã đăng trên VietnamNet ở link này.
*
Xin bắt đầu một hướng với câu chuyện của SpaceX.
SpaceX là công ty tư nhân sản xuất tên lửa đưa phi thuyền vào không gian. Trước SpaceX, thám hiểm không gian là lĩnh vực độc quyền của chính phủ một vài cường quốc.
Ở thời điểm SpaceX tham gia cuộc chơi thì khoa học tên lửa không còn là ngành khó nữa, nó được giảng dạy ở nhiều trường đại học. Ở thời điểm hiện tại, công nghệ để sản xuất các bộ phận cấu thành tên lửa cũng không còn là bí mật quân sự mà các cường quốc cố gắng giữ kín. Các công ty tư nhân có thể tự phát triển công nghệ của riêng mình (như SpaceX). Cái khó nhất, để làm tên lửa vận hành được, đó là cần rất nhiều các kỹ sư vững tay nghề và giàu kinh nghiệm. Các kỹ sư (engineer) giỏi như vậy ngày xưa được gọi là “công trình sư”, vì họ là bậc thầy (sư) làm chủ được các kỹ thuật tạo dựng nên công trình. Hệ thống kỹ thuật tạo dựng sản phẩm như vậy được gọi là engineering.
Ngày nay khoa học (science) là tri thức mà quốc gia nào cũng có thể tiếp cận được, cách đơn giản nhất là cử người đi học. Công nghệ (technology) là cái có thể học, thuê, mua, thậm chí là dùng gián điệp công nghệ để thu thập. Nhưng năng lực kỹ thuật (engineering), nằm trong đội ngũ kỹ sư, để chế tạo ra các cấu phần rồi ghép nối thành công trình hoàn chỉnh mới là cái khó có thể có được.
Kiến thức để làm một cái xe đạp thì ai cũng có thể học được. Công nghệ chế tạo xe đạp, từ thiết kế đến kết cấu, từ sản xuất phụ tùng đến cách thức lắp ghép chúng… ai cũng có thể bỏ tiền ra mua bản quyền thiết và sáng chế được. Nhưng bước cuối cùng, đó là cần các kỹ sư có đủ khả năng chế tạo ra các bộ phận hoàn chỉnh rồi lắp thành một chiếc xe đạp nhẹ, bền, đẹp và vận hành trơn tru (và đủ rẻ), lại là một bước vô cùng khó. Cần rất nhiều thời gian để học nghề và để rèn luyện tay nghề.
Bên cạnh đó, dù làm xe đạp hay làm tên lửa thì việc tham gia ngành phải đủ sớm, trước khi các đối thủ kịp trưởng thành và đạt được trình độ và chi phí mà ta không có cách gì bắt kịp.
*
Ngành bán dẫn trên thế giới đã phát triển đủ lâu và khá chín muồi. Chỉ tính riêng với các sản phẩm dân dụng nó đã có chặng tiến hóa đầy kinh ngạc. Thủa ban đầu là đài bán dẫn chạy pin (radio sử dụng bóng bán dẫn/transistor), rồi đến máy nghe nhạc Walkman cầm tay, rồi hiện nay là máy giặt, tủ lạnh, lò nướng thông minh… có gắn chip điều khiển; cuối cùng là điện thoại thông minh như với đủ các tính năng từ gọi điện thoại truyền hình (video call) đến nghe nhạc xem phim.
Ở lĩnh vực quân sự và khoa học công nghệ cao, các bước tiến của ngành bán dẫn còn ấn tượng hơn nữa. Các chip điều khiển tên lửa có thể hướng dẫn tên lửa bay cả ngàn ki lô mét mà vẫn bắn trúng mục tiêu với sai số chỉ một gang tay.
Bước chân vào ngành bán dẫn thời điểm chín muồi như vậy dường như là một sự muộn màng. Nên bắt đầu từ đâu? Bắt đầu với việc học nghề có thể là một gợi ý đúng. Nhưng ngay cả học nghề để có các công trình sư (kỹ sư) đủ giỏi cũng sẽ gặp tiếp một câu hỏi khó: bắt đầu học từ công đoạn nào trong cả chuỗi quy trình sản xuất chip.
*
Bốn năm trước Apple giới thiệu con chip A14 Bionic dùng cho điện thoại iPhone. Đây là con chip đầu tiên được sản xuất bằng công nghệ 5 nm. Vì là chip dùng cho điện thoại nên nó rất bé và tiêu thụ năng lượng rất khiêm tốn. Thế nhưng trên một con chip bé như vậy mà có tới 11.8 tỷ bóng bán dẫn (transistor), tức là mỗi một milimet vuông có tới 134 triệu transitor. Con chip này mỗi giây có thể thực hiện tới 11 ngàn tỷ phép tính.
Điều thú vị là Apple chỉ thiết kế con chip này, còn khâu sản xuất họ thuê công ty TSMC làm. Đây là lý do Apple được coi là nhà sản xuất chip hàng đầu thế giới, nhưng là nhà sản xuất fabless, có nghĩa là nhà sản xuất mà không có nhà máy gia công chip (sản xuất chip, trong tiếng Anh là fabrication, thường viết tắt là fab). Để đơn giản hóa, ngành chip có thể chia ra các công ty fabless (như Apple) và fab (như Intel). Công ty fabless chỉ làm thiết kế (design) và dàn trang (layout), còn công ty fab có nhà máy làm chip.
Đây chính là một gợi ý để Việt Nam tìm hướng đi cho ngành bán dẫn của riêng mình. Việc mở nhà máy sản xuất chip cần đầu tư rất lớn, phải mua những thiết bị công nghệ cao không chỉ đắt tiền mà còn rất khó vận hành (và vẫn là câu chuyện cần các kỹ sư giỏi), cho nên thay vì nghĩ đến gia công cho phần sản xuất, thì Việt Nam nên nghĩ đến gia công ở khâu “phần mềm”, tức là thiết kế.
*
Các con chip của Apple thuộc vào dòng ASIC (application-specific integrated circuit). Các con chip ASIC được làm ra một mục đích rất cụ thể. Nó được lập trình một lần và chạy cái chương trình này suốt cuộc đời. Nó được thiết kế và sản xuất rất tinh xảo nên nó cực nhanh, cực mạnh, cực bền và tiêu thụ ít năng lượng. Để thiết kế nó cần rất nhiều năm và nhiều trăm triệu đô la. Sản xuất nó cũng vô cùng tốn kém. Để đơn giá đủ rẻ và bán được hàng, các chip ASIC cần được sản xuất với số lượng lớn. Nếu sản xuất với số lượng ít, đơn giá của nó cực kỳ cao như các chip đồ họa hoặc chip AI của NVDIA.
Các chip di động của Apple, chip đồ họa của NVDIA, chip đào bitcoin của Bitmain, chip để tăng tốc học máy của Intel… đều là các chip dòng ASIC. Khâu thiết kế chip dòng này có nhiều công đoạn Việt Nam khó có thể tham gia ngay được, hoặc là vì quá khó, hoặc vì Trung Quốc đã quá thạo. Nhưng có một số công đoạn mà Trung Quốc sẽ không tham gia được vì các hãng lớn ngừng giao hợp đồng cho Trung Quốc một phần vì nghi ngại, một phần vì Trung quốc cũng chưa giỏi. Có thể kể đến gia công dàn trang thiết kế chip (chip layout). Đây là công đoạn nằm giữa thiết kế và sản xuất.
*
Khi xem ảnh chụp các con chip hay các bảng mạch bán dẫn ta thấy chúng không khác gì bản thiết kế các thành phố hiện đại. Điều này khiến ta có cảm giác nghề thiết kế chip giống như thiết kế đô thị và nhà cửa với các bản vẽ cầu kỳ tinh xảo. Thực tế không hẳn như vậy. Thiết kế chip là công việc đơn điệu, buồn tẻ và tốn công sức. Giai đoạn đầu của thiết kế, được gọi là thiết kế logic (logic design thậm chí còn khá trừu tượng, bù lại là khá giống lập trình với ngôn ngữ bậc cao (high level) là lĩnh vực mà người Việt Nam đã quen thuộc.
Hoạt động của các con chip bán dẫn, để đơn giản hóa, là sự đóng mở (tắt bật) vô số các cổng logic (logic gate). Việc “đóng và mở” các tín hiệu điện đầu vào, tương ứng với các mã nhị phân “0 và 1”. Với tổ hợp đầu vào 0,1 khác nhau, thì kết quả ở đầu ra cũng khác nhau.
Ví dụ ta phải thiết kế một con chip cực kỳ đơn giản, nhiệm vụ của nó chỉ làm phép cộng nhị phân. Con chip này có 4 bit, thì làm sao khâu thiết kế phải làm cho nó chạy được các tín hiệu đầu vào ở mỗi bít, ví dụ 0101 và 0011, để cộng vào với nhau phải cho ra kết quả 1000.
Giai đoạn đầu tiên của việc thiết kế chip là “lập trình” sao cho các cổng logic này hoạt động cho đúng. Mà con chip không chỉ có một vài cổng, hay một vài triệu cổng, mà là hàng triệu cổng. Chip cũng không chỉ làm phép cộng mà còn phải làm nhiều việc khó khăn gấp bội.
Lập trình để thiết kế logic như vậy người ta dùng đến một ngôn ngữ thiết kế, gọi là ngôn ngữ mô tả phần cứng HDL (hardware description language). Hiện có hai ngôn ngữ thông dụng là VHDL và Verilog. Việt Nam mạnh về phần mềm, không quá mạnh so với các nước công nghệ cao, nhưng lập trình vẫn là kỹ năng mà người Việt có năng khiếu nhất và bề dày kinh nghiệm nhất trong số nhiều kỹ năng mà ngành bán dẫn đòi hỏi. Nên đây có thể là một hướng để Việt Nam bắt nhịp vào dòng chảy của ngành sản xuất chip trên thế giới.
Sau khi đã có “bản thiết kế logic” bằng HDL người ta sẽ phải dùng công cụ (phần mềm) rất đắt tiền để chạy mô phỏng (simulation). Tức là chuyển thiết kế được viết bằng ngôn ngữ bậc cao sang một dạng thấp hơn để chạy giả lập xem nó có chạy đúng ý đồ của người thiết kế hay không, cũng như để phát hiện lỗi (bug). Sau khi chạy giả lập thành công thì mới chuyển qua bước logic synthesis, tức là biến bản thiết kế hoàn toàn là các lệnh logic thành một cái mạch điện ảo với các cổng logic (gate) và bóng bán dẫn (transitor) ảo hoặc cho các dòng bit ảo (bitstream) chạy qua. Phần mềm chuyên dụng để làm việc này sẽ phải thuê license từ các hãng lớn như Intel, Cadence, AMD với chi phí lên tới hàng trăm ngàn đô la một năm.
Bản synthesis này sau đó sẽ được chuyển qua công đoạn “dàn trang vật lý” (physical layout) giống như các bản thiết kế máy móc, hay nhà cửa để đem đi sản xuất hoặc xây dựng. Đây là khâu khó và mất công sức để tối ưu hóa việc đặt tất cả các mạch điện, bóng bán dẫn… lên đế chip, vốn chỉ có không gian vật lý giới (nằm trong kích thước của con chip thật). Không chỉ tối ưu hóa về không gian, phải chồng chất rất nhiều lớp bán dẫn lên nhau, mà còn phải đảm bảo cho các dòng điện li ti đi qua mà không chập vào nhau, tỏa nhiệt tối ưu không làm hỏng chip, cũng như năng lượng tiêu thụ ở mức chấp nhận được. Sau khi có layout hoàn thiện mới đưa sang khâu sản xuất (fabrication). Bản layout sẽ được đưa cho các nhà máy sản xuất chip (như các fab của TMSC) để làm ra con chip thực sự.
Khâu layout này, hiện nay các hãng chip lớn đang thuê gia công (outsource). Ấn Độ là nhà thầu lớn, nhận được nhiều hợp đồng gia công thiết kế logic bằng ngôn ngữ HDL và xác minh mã (code verification). Việt Nam có thể là điểm đến quan trọng do Trung Quốc không còn là nơi được các nhà sản xuất chip ở Mỹ tin cậy. Trước đó, Trung Quốc đã rất mạnh về dàn trang thiết kế bo mạch (PCB layout) có ít lớp bán dẫn hơn dàn trang chip rất nhiều, họ làm tốt và rẻ. Nhưng chip layout thì các hãng lớn vì lý do bảo mật sẽ khá cẩn trọng khi thuê Trung Quốc gia công. Phần layout này cũng không đòi hỏi phần mềm chuyên dụng đắt tiền, nên đây cũng sẽ là cái dễ cho những tay chơi mới như Việt Nam.
*
Một thống kê năm 2021 cho thấy tốc độ tiêu thụ chip bán dẫn là một giây bán được 145 con chip. Và cũng như giày dép hay quần áo, các con chip luôn được cải tiến về thiết kế. Tức là nhu cầu thuê gia công layout là rất lớn, nhu cầu thuê thiết kế chip cũng rất lớn. Nhưng Việt nam nên học nghề thiết kế chip loại nào?
Bên cạnh loại chip bán dẫn ASIC khó thiết kế, khó sản xuất như của Apple và NVIDIA, thì có loại chip FPGA (Field-Programmable Gate Array). Khác với ASIC là chip được lập trình một lần duy nhất cho một mục đích duy nhất, thì chip FPGA có thể lập trình nhiều lần cho các mục đích khác nhau. Điểm yếu nhất của FPGA là không được nhỏ gọn lắm và tốn năng lượng tiêu thụ. Bù lại thiết kế và sản xuất chip FPGA rất nhanh, linh hoạt, có thể tái lập trình để dùng cho các mục đích khác nhau (chip trong thiết bị mạng viễn thông, thậm chí chip của thiết bị gia dụng có thể tháo ra lập trình cho bộ phận dẫn đường của tên lửa). Chi phí thiết kế và sản xuất rẻ cho dù sản xuất với số lượng ít, ví dụ các chip để dùng cho drone chuyên dụng, hoặc thiết bị quân sự, được sản xuất với số lượng ít và yêu cầu bảo mật cao. (Chi phí sản xuất khoảng 5 ngàn đô la một chip, cao hơn chip ASIC chi phí chỉ vài chục đô la nhưng phải sản xuất với số lượng lớn).
Chip FPGA có ứng dụng rất đa dạng, từ đồ dân dụng (như tủ lạnh thông minh, máy giặt thông minh, xe hơi…) đến các thiết bị mạng viễn thông (mạng 5G, router, modem…), từ các thiết bị y tế đến các thiết bị bảo mật, điều khiển drone, tên lửa hành trình. Các hệ thống trí tuệ nhân tạo (AI), học máy (machine learning), máy tính tốc độ cao (high performing computer) cũng dùng chip FPGA do không cần tiết kiệm không gian và năng lượng, liên tục thay đổi thuật toán (nên cần các kiến trúc chip mới). Đặc biệt là FPGA thường vượt trội ở xử lý song song (parallel processing) nên rất phù hợp cho xử lý đồ họa, cho crypto và học máy cũng như xử lý thời gian thực cho các ứng dụng quân sự, an ninh, phòng chống thảm họa.
Thiết kế chip FPGA (làm gia công, hoặc làm thiết kế để bán) là một lĩnh vực tuy không còn mới nhưng với Việt nam nó vẫn đầy tiềm năng mà vì thực tế ở quy mô quốc gia thì rất ít quốc gia có thể làm được.
FPGA ra đời muộn hơn các chip ASIC. Phải đến những năm 198x nó mới xuất hiện và dần dần trở nên thông dụng. Hai nhà sản xuất chip FPGA là Altera và Xilinx đều bị hai hãng chip khổng lồ là Intel và AMD mua lại. Một số lĩnh vực quân sự, tài chính và vũ trụ sử dụng chip FPGA ngày càng nhiều, đặc biệt là với các thiết bị truyền sóng. Năm 2010 quy mô thị trường của chip FPGA chỉ ở mức 2,75 tỷ đô, đến năm 2020 đã lên tới 9,8 tỷ đô la và có thể tăng lên hàng chục tỷ đô la trong vài năm tới.
Tham gia gia công một vài công đoạn trong thiết kế chip FPGA cũng sẽ giúp Việt Nam nhanh chóng xích lại khâu sản xuất, bởi các chip “low-end” khá dễ làm và đầu tư nhà máy không quá tốn kém. Chip sử dụng cho đồ dân dụng như nồi cơm điện, máy giặt… không quá khó để sản xuất. Ngay cả với các chip quân sự, nó cũng không đòi hỏi phải cao cấp như chip A14 Bionic của Apple. Bởi chip quân sự không phải chạy đa nhiệm và xử lý dữ liệu lớn với tốc độ cao như chơi game hay gọi video call, nó cũng không cần phải tiết kiệm năng lượng cũng như thu nhỏ tối đa để lắp vào các thiết bị bé nhỏ như điện thoại thông minh. Trong một thế giới bất ổn thì tự làm được chip viễn thông và quân sự luôn là một lợi thế. Đến đây ta lại thấy việc cần phải có đội ngũ kỹ sư có năng lực và giàu kinh nghiệm thực tế, để rút ngắn thời gian phát triển các chip chuyên dụng, làm ra được chip vận hành an toàn, bảo mật được thiết kế và kết cấu chip đến mức nếu thiết bị rơi vào tay đối thủ cũng khó có thể bắt chước được.
PS: Nói thêm một chút về vốn, công nghệ, năng lượng và môi trường trong ngành bán dẫn và chip.
Công đoạn luyện cát thành silic. Mặc dù nguyên liệu để làm chất bán dẫn (semiconductor) là rất nhiều trong tự nhiên – (SiO2): Silica hoặc Silicate, tức là cát – nhưng để biến nó thành vật liệu dùng được cho chip thì lại rất mất công. Đầu tiên phải nấu cát thành vật liệu thô, có độ tinh khiết khoảng 97%. Sau đó phải tinh luyện nó lên một bậc nữa, độ tinh khiết là 99,999…% (chín số 9 sau dấu thập phân). Cả hai quá trình này cần rất nhiều điện, do luyện cát thành bán dẫn chẳng khác gì luyện quặng thành thép, phải làm ở nhiệt độ cao (1500 đến 2000 độ C, sử dụng lò nung kỹ thuật cao) và tiêu thụ rất nhiều nước sạch. Việt Nam không chỉ không có vốn để đầu tư, không có kỹ sư luyện kim đủ giỏi để vận hành các lò luyện cát, mà còn không đủ điện và nước tinh khiết để tham gia công đoạn này. Chưa kể nó sẽ phải dùng nhiều hóa chất để triệt tiêu các tạp chất, tức là sẽ cực kỳ ô nhiễm môi trường.
Công đoạn biến vật liệu bán dẫn (silicon) tinh khiết thành các wafer (tấm bán dẫn để khắc mạch bán dẫn lên) cũng cần rất nhiều điện và hóa chất.
Ngay cả công đoạn đóng gói chip, tức là sau khâu fabrication, thì cũng cần máy móc công nghệ cao (và phòng sạch, chẳng kém gì fabrication) để tách đế chip (chip die) ra khỏi wafer và đặt lên chất nền (substrate). Ngay cả có vốn FDI để làm nhà máy này ở VN thì nó cũng không sử dụng nhiều lao động.
Cái Việt Nam cần là cần một ngành tạo ra thật nhiều công ăn việc làm, như ngành dệt may giày ngày trước (có lúc ngành này ở Việt Nam, dù chỉ gia công, cũng sử dụng đến 1,2 triệu nhân công). Một số công đoạn đơn giản của chip design có thể giúp Việt Nam có được tới cả trăm ngàn nhân công. Một phần trong đó chỉ đơn giản là chuyển từ lập trình (gia công thuê cho tây) sang thiết kế chip (cũng gia công thuê).
N.P.V.
Nguồn: Blog của 5xu