Hành trình 10 năm để Trung Quốc tự chủ công nghệ bán dẫn (Phần 1)

Mới đây Yukio Sakamoto, chuyên gia trong ngành bán dẫn của Nhật Bản, đã về đầu quân cho một công ty chip nhớ DRAM của Trung Quốc năm ngoái.

Nikkei đưa tin vị chuyên gia 73 tuổi đảm nhiệm vị trí Phó chủ tịch cấp cao tại Tsinghua Unigroup - một tập đoàn công nghệ cao hàng đầu của Trung Quốc liên kết với Đại học Thanh Hoa. Nhiệm vụ của ông là giám sát sản xuất cho một doanh nghiệp sản xuất chip nhớ DRAM.

Vì Sakamoto dày dặn kinh nghiệm trong lĩnh vực bán dẫn, một số người có thể nghĩ quyết định của ông là "táo bạo, nhưng thiếu sáng suốt" trong bối cảnh Mỹ và Trung Quốc đang cạnh tranh lớn về công nghệ.

Diễn biến thực tế thế yếu đang thuộc về Trung Quốc, khi Mỹ liên tục tung các đòn đánh vào hàng loạt doanh nghiệp nước này, chẳng hạn Huawei, hãng bán dẫn SMIC khiến tham vọng vươn lên dẫn đầu của giới doanh nghiệp Trung Quốc lao đao.

Bất chấp thực tế ấy, Sakamoto vẫn lạc quan. Theo ông, trong thế giới ngày nay, những quốc gia đi sau về công nghệ đang có cơ hội rất tốt để bắt kịp các quốc gia tiên phong

"Công nghệ bán dẫn ngày nay đang tiến triển chậm hơn. Các bóng bán dẫn đang ngày càng nhỏ và dần đạt đến giới hạn về mặt vật lý và quang học", ông nói với Nikkei.

Hành trình 10 năm để Trung Quốc tự chủ công nghệ bán dẫn (Phần 1) - Ảnh 1.

Quang khắc là qui trình khó nhất khi sản xuất chip. (Ảnh: Getty Images)

Sakamoto không đề cập đến việc xây dựng nhà máy sản xuất chip nhớ mới, cũng như không rõ thời hạn các doanh nghiệp Trung Quốc như Tsinghua Unigroup được phép nhập khẩu thiết bị sản xuất chip và phần mềm thiết kế chip của Mỹ. Tính đến 19/10, Tsinghua Unigroup vẫn chưa bị chính phủ Mỹ đưa vào danh sách hạn chế.

Ông nhận định Trung Quốc có một tương lai hứa hẹn trong việc chế tạo wafer silicon (vật liệu nền để sản xuất vi mạch tích hợp), cũng như năng lực tự chủ công nghệ thông qua việc tự cung cấp vật liệu, thiết bị và phần mềm sản xuất chip trong nước.

"Một thay đổi mô hình công nghệ cũng có thể tạo ra cơ hội cho những quốc gia mới. Xu hướng ấy đang diễn ra trong lĩnh vực bán dẫn", Sakamoto nhận xét.

Định luật Moore khẳng định số lượng bóng bán dẫn trong chip sẽ tăng gấp đôi sau mỗi 18 đến 24 tháng. Gordon Moore, người đồng sáng lập tập đoàn Intel, đưa ra định luật ấy trong những năm 60. 

Đến giữa những năm 2000, ngành công nghiệp sản xuất chip vẫn bắt kịp qui luật bằng cách liên tục thu nhỏ kích thước của các bóng bán dẫn và mạch điện trên bề mặt một wafer silicon.

Nhưng trong khoảng 15 năm trở lại đây, kích thước của các bóng bán dẫn đã giảm mạnh, còn khoảng 30 nm (bằng 30 phần tỷ mét). Chỉ số này được đo bằng chiều rộng của một điện cực trung tâm gọi là "cổng" (gate).

Trên thực tế, các nhà sản xuất chip vẫn nỗ lực giảm kích thước bóng bán dẫn, từ 32 nm xuống 22 nm, 14 nm rồi 10 nm. Song những con số đã không còn đại diện cho kích thước bóng bán dẫn từ sau những năm 2000. Các hãng sử dụng chúng chủ yếu để quảng bá sản phẩm.

Giáo sư Toshiro Hiramoto của Đại học Tokyo giải thích rằng chiều dài "cổng" thực tế của bóng bán dẫn trong chip logic 7 nm do TSMC của Đài Loan sản xuất là 18 nm. Trong khi đó, các loại chip 32 nm trước đây vẫn có chiều dài "cổng" thực sự là 32 nm hoặc nhỏ hơn.

Vì chi phí thu nhỏ các bóng bán dẫn quá lớn, các nhà sản xuất chip đang dần chuyển sang công nghệ 3D nhằm tận dụng không gian phía trên bề mặt wafer thông thường để tích hợp nhiều bóng bán dẫn lên chip hơn. Ví dụ, chip nhớ Flash NAND tiên tiến hiện nay có cấu trúc gồm 96 đến 128 lớp mạch tích hợp xếp chồng lên nhau trên khuôn và ở mặt dưới cùng của tấm wafer.

Với những ưu điểm của công nghệ 3D, một số công ty sản xuất bán dẫn đã bắt đầu chuyển đổi sang công nghệ này, thay vì tiếp tục cố gắng thu nhỏ các bóng bán dẫn. Tuy nhiên, các chuyên gia trong ngành cho rằng xu hướng mới có thể ảnh hưởng đến một trong những qui trình khó nhất khi sản xuất chip: quang khắc (photolithography).

Quang khắc là quá trình mà trong đó, người ta in sơ đồ mạch lên bề mặt cảm quang của tấm silicon bằng cách chiếu tia sáng về phía wafer qua một đĩa thủy tinh được vẽ sẵn sơ đồ mạch. Nếu mạch càng nhỏ, quá trình càng cần những đèn chiếu tia sáng có bước sóng ngắn hơn. Hiện nay, do mạch quá nhỏ, đèn chiếu chuyển qua dải phổ cực tím, hay còn gọi là EUV - kĩ thuật in thạch bản cực tím.

Nhạc Phong