diary 21/10/2014: Thiếu hụt vi mạch công nghệ cũ

Kỹ thuật sườn sau
Phần lớn bảng vi mạch không phải chip tiến trình 3nm thời thượng. Chúng chỉ là đám công nhân làm việc và sống cuộc đời nho nhỏ vui vẻ khuất mắt. Những chip này được xây dựng trên cái gọi là tiến trình xử lý “sườn sau”

Định nghĩa về cái gọi là “tiến trình sườn sau” tuỳ ý người hiểu. TSMC xếp loại bất cứ thứ gì ở tiến trình 16nm hoặc cũ hơn. Những tiến trình ấy đóng góp một nửa doanh thu năm 2021

Một cách gọi nữa là những chip này thuộc về những tiến trình đã trưởng thành và đã thành di sản.

Tiến trình trưởng thành thường được xếp vào loạt 40 đến 450 nanomet

Tiến trình di sản thì cũ hơn nữa

Ví dụ phần lớn các chip vi điều khiển được chế tạo ở tiến trình 110 đến 180 nanomet.

Có khoảng 200 xưởng fab đang vận hành toàn cầu, phần lớn đã cũ, xây dựng trước năm 2000

Lúc đầu những xưởng này mới tinh, chứa toàn những thiết bị làm chip đắt tiền chế tạo những chip thời thượng hoặc gần tiên tiến nhất.

Những chip ấy bán với tỷ suất lãi cao và giúp hoàn vốn đầu tư mua những thiết bị đắt đỏ ban đầu
Nhưng tình huống ấy không kéo dài được lâu. Ngành công nghiệp nhanh chóng nâng cấp, trong vòng 1 đến 2 năm là có một thế hệ chip vi mạch “tiên tiến” mới và ngay sau ấy giá chip của các xưởng sụp đổ khi sản phẩm bị phổ thông hoá
Nhưng một khi xưởng đã được xây dựng, không tốn thêm nhiều công sức hay đầu tư mới nữa, miễn là giá bán thị trường chỉ cao hơn giá thành cận biên của nhà máy ấy một chút cũng đủ duy trì xưởng hoạt động

Bế tắc
Sản lượng xưởng cho những tiến trình “sườn sau” vốn đã tương đối khan hiếm trong nhiều năm trước bệnh dịch, do một số đặc điểm cố hữu của ngành sẽ nói dưới đây

Cuộc phong toả ngăn dịch đầu năm 2020 đã đình hoãn thương mại xuống mức thấp kỷ lục. Người ta lo sợ tình huống tồi tệ nhất. Các công ty xe và các nhà sản xuất cắt giảm dây chuyền sản xuất và huỷ đơn mua hàng. Diễn biến lan xuống chuỗi cung và các công ty linh kiện cũng phải cắt giảm.
Ví dụ StMicroelectronics cắt một nửa sản lượng tại những xưởng mới nhất ở Pháp.

Nhưng đến mùa hè lại chứng kiến cú hồi phục thương mại khủng bất ngờ, nhu cầu mua hàng hồi phục lập tức dẫn ngay đến thiếu hụt. Các công ty mới đầu lôi hàng tồn ra bán, rồi mua vượt nhu cầu để có thể khôi phục dự phòng hàng tồn kho để đảm bảo năng lực sản xuất trong tương lai.

Đúng lúc đó, ngành bán dẫn cũng bùng nổ nhu cầu vi mạch nhờ điện toán đám mây, kỹ thuật 5G và cả xung đột vũ trang.

Do đó kể từ năm 2019, tốc độ tối ưu xưởng đã tăng vượt quá các mục tiêu dài hạn đến 80% mức cao nhất kể từ giữa thập niên 1990
ấy là dấu hiệu cho thấy các xưởng đã đạt đến giới hạn vắt kiệt công suất hiện hành.
Steve Sanghi giám đốc điều hành Microchip trả lời về doanh thu mới đây nói cần thêm 150 tỷ đôla đầu tư mới trong 5 năm tới để đáp ứng nhu cầu “sườn sau”

Tăng sản lượng công nghệ “sườn sau” là rất chậm – khoảng 2% thường niên so với hơn 25% công nghệ mũi nhọn (tiến trình mới nhất)

Ngành bán dẫn đã chi hàng trăm tỷ đôla cho ra mắt những dự án xưởng mới ở châu Á, Hoa Kỳ và châu Âu nhưng chỉ 6% số tiền ấy dành cho xây dựng xưởng tiến trình trưởng thành hoặc di sản.

Không đơn giản
Chiến lược đơn giản, bỏ tiền vào, xây một đống xưởng và chiếm lĩnh thị trường.

Nhưng, từ lâu các công ty sản xuất chip vi mạch “sườn sau” đã do dự không đầu tư vào xây mới. Khách vẫn được mua giá rẻ vì xưởng fab đã hoàn toàn khấu hao hết giá xây lắp nhà máy. Các sản phẩm tấm wafer bán dẫn cho những tiến trình “sườn sau” rất rẻ. Mặc dù đóng góp doanh số bán chip vi xử lý lớn đáng kể, chỉ góp 10% tiền doanh thu.

Kể cả trong bối cảnh nhu cầu dâng cao, người ta vẫn hiểu rằng chi hàng trăm triệu đến hàng tỷ đôla xây lắp xưởng mới sẽ đồng nghĩa với chịu đựng một giai đoạn không khai thác được hết công suất và phải chịu lỗ. Cho nên họ thà tiếp tục tiến trình cũ.

Thêm nữa, nhiều xưởng này sử dụng thiết bị cũ chuyên biệt

Ví dụ: hơn 200 xưởng fab chế tạo sản phẩm tấm wafer 200 milimet, nhỏ và cũ hơn tiêu chuẩn công nghiệp 300 milimet hiện hành. Thiết bị 200 milimet chưa sẵn sàng, các công ty thà mua đồ thanh lý từ các đại lý. Dù tất cả các xưởng 200 milimet đều đang chạy hết công suất, hiện nay vẫn không đáp ứng đủ nhu cầu

Phủ sóng dần xuống
Lịch sử mà nói, các công ty lớn đầu bảng như AMD và Apple luôn muốn chạy đua những tiến trình mũi nhọn nhanh và thời thượng nhất. Mỗi khi ngành cải tiến, họ cải tiến theo, theo sau mới đến những công ty khác, mở rộng quy mô sản xuất những mẫu thiết kế riêng để thích ứng theo.
Xu hướng tăng tiến ấy đã bị chậm lại qua các năm. Hiện giờ chuyện trở nên khó hơn khi chuyển lên những tiến trình kế tiếp. Khách phải cân bằng lợi ích và chi phí. Một số loại chip vi mạch không mở rộng sản lượng được vì không đủ nhu cầu, ví như chip tín hiệu liên tục, hỗn hợp và tần số vô tuyến
MEMS là một trường hợp như vậy, là một miếng silicon đặc nhiệm gắn bên trong những vật phẩm như máy gia tốc kế.

Nhu cầu cho tất cả những loại chip vi mạch ấy đều nhảy vọt trong bối cảnh chiến tranh ở Ukraine

Chưa kể khoảng trống giữa thế hệ 28 nanomet và 22 nanomet.

28 nanomet có lẽ là tiến trình làm vi mạch tiên tiến nhất vẫn đang sử dụng một cổng phẳng. Mọi tiến trình làm vi mạch mới hơn 28 nanomet đều phải áp dụng cổng FinFET bóng bán dẫn hiệu ứng trường vây phức tạp hơn (không phẳng) những lưu ý đến multi-patterning nổi lên và có thể cả siêu cực tím EUV, dẫn đến thêm phức tạp, sản phẩm thiếu tin cậy, tỷ lệ lỗi lớn dẫn đến giá thành cao

Do đó 28nm đại diện cho mức đáy của đường cong chi phí trên mỗi 100 triệu cổng, khi hiệu ứng từ những vấn đề mới phát sinh đẩy giá thành lên từ tiến trình 22nm trở đi
Khách hàng không cần sản phẩm nhanh đến thế, nhất là nếu họ phải đối mặt với những trở ngại trên.

Các công ty xe đặc biệt muốn nhất là độ tin cậy và hiệu lực khi áp dụng trên một loạt các điều kiện khó khăn. Các công ty ấy nằm trong số những khách mua lớn nhất của chip vi mạch “sườn sau” chiếm 40% thị phần khách

Phá thế bế tắc: nguồn cung
Sau rốt, ngành nhận ra rằng lỗ hổng trong các tiến trình chế tạo cũ của mình đang trì hoãn chuỗi sản xuất ít nhất 18 tháng và họ phải bắt tay xử lý.

Cách làm là gì?
Đầu tiên, có thể đơn giản đối mặt và xây thêm xưởng và tính chi phí mới ấy vào giá bán cho khách mua thưởng thức
nhà máy của TSMC ở Arizona Mỹ dùng tiến trình N5 là tin nóng hổi, nhưng TSMC cũng xây hai xưởng “sườn sau” nữa ở Nhật Bản và Cao Hùng, Đài Loan sẽ vận hành trên khoảng tiến trình 28/22 nanomet

TSMC mới đây tuyên bố giá bán tăng lên cho những tiến trình cũ hơn, có lẽ lý do để trả chi phí xây những xưởng mới này.
Samsung cũng mới tuyên bố rằng họ sẽ đầu tư thêm vào sản lượng bán dẫn “sườn sau”. Nhìn chung công ty đến nay tập trung vào chào bán những đồ thời thượng mới nhất, cho nên đây là động thái lớn của công ty

Trung Quốc cũng góp vui, lên đến 12 xưởng mới trong quá trình xây dựng ở đại lục. SMIC là xưởng Trung Quốc dẫn đầu và đang chi hơn 9 tỷ đôla cho sản lượng bán dẫn “sườn sau” ở Thượng Hải và Thẩm Quyến.

Ấn Độ cũng có động thái. Tập đoàn Vedanta mới đây đã ký một hiệp ước thống nhất chung với Foxconn của Đài Loan để xây dựng một xưởng “sườn sau” trong khoảng tiến trình 65 đến 28 nanomet với ưu đãi lớn của chính phủ

Rồi đạo luật CHIPS Hoa Kỳ - dự thảo thông qua những khuyến khích cho xây dựng và hiện đại hoá ngành công nghiệp bán dẫn Mỹ - dành ra 2 tỷ đôla chi đặc biệt cho “những tiến trình công nghệ trưởng thành” định nghĩa do bộ trưởng thương mại đưa ra

Xoay xở
Với những khuyến khích ấy, tác giả cảm thấy những công ty phương Tây vẫn chưa thực sự có bước tiến lớn trong xây dựng những xưởng 90 nanomet mới, nhưng họ cũng không cần làm vậy
Có những khía cạnh khác mà ngành công nghiệp có thể làm để cải thiện hiệu năng vận hành của những xưởng “sườn sau” cũ của mình
Ví dụ: chuyển đổi từ sản phẩm tấm wafer 200 milimet sang 300, nhìn con số là biết một tấm wafer 300 milimet có thể được gấp đôi số die so với tấm 200, một nâng cấp wafer là khá đáng kể, toàn bộ thiết kế nền cần to ra, các hệ thống tự động cần được lắp đặt và giải quyết vấn đề thiếu nguồn cung wafer. Không cần xây thêm xưởng mới mà vẫn gấp đôi được sản lượng

Phần thiết kế cũng có thể được cải thiện.

Ví dụ: một mục tiêu của phần mềm tự động hoá thiết kế vi mạch EDA mã nguồn mở và các bộ thiết kế quá trình PDK là để giúp hạ giá thành phát triển phần cứng.

Công cụ có thể được giới thiệu ra giúp dễ dàng hơn cho các nhà thiết kế khi thiết kế cho hoặc làm một die shrink lên trên một tiến trình xử lý khác.

Ví dụ: Google và SkyWater Technologies ra mắt một bộ thiết kế quá trình PDK mã nguồn mở cho 130 nanomet. Nếu nó giúp một số nhà thiết kế có thể làm được những die shrink từ lâu bị bỏ lơ, thì khách mua có thể có những vi mạch nhanh và tốt hơn.