Công nghệ này đang là 'điểm nghẽn' của AI

Bất chấp hàng chục tỷ USD trợ cấp và nỗ lực dịch chuyển chuỗi cung ứng của chính phủ Mỹ, nghịch lý thay, quốc gia này lại đang phụ thuộc vào Đài Loan (Trung Quốc) sâu sắc hơn bao giờ hết.

Không phải những phát minh hay kỹ thuật tiên tiến, khâu đóng gói chip - công nghệ từng bị xem nhẹ nay đã vươn lên thành "điểm nghẽn" định đoạt cục diện cuộc đua trí tuệ nhân tạo (AI) toàn cầu.

Giải pháp sống còn

Tiến sỹ Subramanian Iyer, cựu kỹ sư IBM, từ lâu đã chuyên tâm vào một mảng ngách khá trầm lắng của ngành công nghiệp bán dẫn. Giờ đây, chính mảng ngách đó lại trở thành một điểm nghẽn lớn trong cuộc đua giành vị thế dẫn đầu toàn cầu về AI.

Công nghệ đó được gọi là đóng gói chip tiên tiến - quy trình ghép nối hàng chục linh kiện vi mạch vào những module chỉ nhỏ bằng lòng bàn tay.

Công nghệ đóng gói cho linh kiện bán dẫn đang là vấn đề lớn nhất trong ngành công nghệ. Ảnh: New York Times.

Khi giới hạn vật lý khiến việc thu nhỏ bóng bán dẫn (transistor) để nhồi nhét thêm vào từng con chip dần trở nên bất khả thi, Nvidia và các gã khổng lồ bán dẫn khác đã phải chuyển hướng sang "đóng gói" như một giải pháp sống còn. Đây là cách duy nhất để tạo ra những bộ vi xử lý đủ sức gánh vác các tác vụ AI phức tạp.

Tiến sĩ Iyer (72 tuổi), cựu chuyên gia công nghệ của IBM và hiện là giáo sư tại Đại học California, đã góp phần thúc đẩy những tiến bộ trong khâu đóng gói suốt nhiều thập kỷ qua.

Tuy nhiên, giờ đây, ông cùng các giám đốc điều hành trong ngành đang phải bàng hoàng chứng kiến vị thế lãnh đạo của Mỹ trong lĩnh vực AI rơi vào tay chính công ty đang thống trị mảng sản xuất chip tiên tiến.

TSMC, nhà sản xuất chip hiện đại nhất cho Nvidia và các gã khổng lồ AI khác, cũng đồng thời đảm nhận khâu đóng gói cho gần như toàn bộ số chip đó.

Các nhà cung cấp và đối tác trọng yếu của TSMC cũng chủ yếu nằm tại Đài Loan, khiến các nhà hoạch định chính sách Mỹ phải đổ hàng tỷ USD nhằm thúc đẩy năng lực sản xuất nội địa.

Nút thắt trong khâu đóng gói đã trở thành chủ đề nóng hổi tại Thung lũng Silicon khi TSMC phải chật vật để theo kịp nhu cầu.

Tiến sĩ Iyer từng cố gắng giải quyết vấn đề bằng cách phát triển kế hoạch xây dựng một trung tâm nghiên cứu và phát triển (R&D) về công nghệ đóng gói tại bang Arizona. Dự án này ban đầu được chính quyền Biden tài trợ 1,1 tỷ USD, nhưng đã bị chính quyền Trump vô hiệu hóa vào năm 2025.

"Họ đã hắt đổ cả chậu nước lẫn đứa trẻ sơ sinh ở bên trong. Cuối cùng, chúng ta lại rơi vào tình cảnh phụ thuộc vào TSMC trầm trọng hơn bao giờ hết", Iyer thẳng thắn chia sẻ.

Giải mã quyền lực

Đóng gói chip từng bị coi là một khâu phụ trợ mà các nhà sản xuất chip Mỹ đẩy sang các quốc gia châu Á có mức lương thấp.

Minh họa các lớp trong công nghệ đóng gói chip. Ảnh: ASU News.

Theo Hiệp hội Điện tử Toàn cầu, thị phần đóng gói chip của Mỹ hiện chỉ vỏn vẹn khoảng 3%. Tuy nhiên, có một sự thật là vi mạch không thể hoạt động nếu thiếu khâu đóng gói.

Quá trình này, hay còn được gọi là khâu lắp ráp, sẽ bọc các mảng silicon trần vào lớp nhựa bảo vệ, đi kèm với các đầu nối để truyền tín hiệu đến các chip khác trên bảng mạch.

Ngày nay, các con chip được đặt trên một lớp lót được gọi là đế. Chúng thường làm bằng nhựa, sợi thủy tinh và được nhúng dây đồng.

Trong ngành, TSMC hiện là cái tên lớn nhất khi đang cung cấp công nghệ đóng gói tiên tiến mang tên CoWoS. Công nghệ này giúp hãng có thể đóng gói số lượng khổng lồ bóng bán dẫn trong một con chip duy nhất.

Để lấy ví dụ, bộ vi xử lý Rubin mới của Nvidia sử dụng CoWoS để ghép hai chip AI cỡ lớn với 8 khối bộ nhớ tốc độ cao, mỗi khối chứa 12 chip, quy tụ tới 336 tỷ bóng bán dẫn trong một gói duy nhất. Đến năm 2029, TSMC dự đoán số lượng bóng bán dẫn trên mỗi gói sẽ tăng gấp 48 lần so với năm 2024.

Tuy nhiên, "nút thắt" nằm ở chỗ TSMC, dù đã nhận tài trợ từ Đạo luật CHIPS để xây các nhà máy lớn ở Arizona, lại không có kế hoạch triển khai CoWoS tại bang này cho đến tận năm 2028 hoặc 2029.

Nói cách khác, bất kỳ con chip nào được TSMC sản xuất tại Mỹ hiện nay đều phải gửi ngược về Đài Loan để đóng gói.

Vấn đề càng trầm trọng hơn khi "gã khổng lồ" bán dẫn này đang phải gồng mình chạy đua với các đơn hàng do cơn sốt AI.

Theo ước tính của Handel Jones, nhà phân tích tại International Business Strategies, sản lượng CoWoS của TSMC đang thiếu hụt khoảng 30% so với nhu cầu, dù công ty này đã chiếm tới 95% toàn bộ thị phần đóng gói tiên tiến toàn cầu.

Công nghệ đóng gói tiên tiến CoWoS giúp TSMC có thể đóng gói số lượng khổng lồ bóng bán dẫn trong một con chip duy nhất. Ảnh: New York Times.

Chi phí cũng là một rào cản lớn. Theo bà Jan Vardaman, Chủ tịch công ty nghiên cứu TechSearch International, việc đóng gói một con chip vi mạch tiên tiến có thể tiêu tốn tới 500 USD, trong khi các gói cơ bản hơn chỉ có giá khoảng 40 USD.

Để giải quyết, Tiến sĩ Iyer và giới chuyên môn đều cho rằng cần có những công nghệ đóng gói hoàn toàn mới.

Syenta, một startup từ Australia, đang đề xuất một phương pháp sử dụng kỹ thuật điện hóa để tạo ra các khối đóng gói siêu lớn. Điều này sẽ giúp tinh gọn số bước sản xuất hơn, trong khi tăng băng thông giao tiếp lên tới 20 lần.

Các doanh nghiệp khác cũng đang liên kết lại, tiêu biểu như Resonac (Nhật Bản) gần đây đã công bố một liên minh đóng gói gồm 12 công ty và xây dựng một dây chuyền sản xuất thử nghiệm gần Thung lũng Silicon.

Anh Tuấn