Một bài viết của tác giả Virginia Heffernan trên WIRED.
Tại một khu công nghiệp ở Tân Trúc, thành phố ven biển phía tây nam Đài Bắc, có 1 công ty được mệnh danh là báu vật bảo hộ của Đài Loan: TSMC.
TSMC là công ty sản xuất chất bán dẫn lớn nhất thế giới. Năm 2020, nó lặng lẽ gia nhập top 10 công ty có giá trị nhất thế giới. Giờ đây, nó còn lớn hơn cả Meta và Exxon. Công ty có năng lực sản xuất chip logic lớn nhất thế giới và làm ra tới những con chip tiên tiến nằm bên trong vũ khí hạt nhân, máy bay, tàu ngầm và tên lửa siêu thanh mà sự cân bằng quyền lực quốc tế dựa trên đó. Họ sản xuất 1/3 tổng số chip silicon trên thế giới, đáng chú ý là chip trong iPhone và Mac. Cứ 6 tháng một lần, chỉ 1 trong 13 nhà máy sản xuất TSMC — nhà máy Fab 18 ở Đài Nam — tạo ra và khắc hàng triệu tỷ bóng bán dẫn cho Apple. Dưới dạng những kiệt tác thu nhỏ nằm trên vi mạch, ngành công nghiệp bán dẫn tạo ra nhiều sản phẩm hơn trong một năm so với tổng số sản phẩm được sản xuất tại tất cả các nhà máy khác trong tất cả các ngành công nghiệp khác trong lịch sử thế giới.
Nhưng không giống như đồng hay cỏ linh lăng, chip không phải nguyên liệu thô. Có lẽ chúng là tiền tệ, đồng tiền của vương quốc toàn cầu được định giá theo đơn vị sức mạnh xử lý. Thật vậy, giống như các biểu tượng huyền bí biến những mảnh vải bông-lanh tầm thường thành tiền đô la, các họa tiết bí ẩn được tạo ra trên những mẩu silicon thông thường — bằng các kỹ thuật in ấn như các kỹ thuật in tiền giấy — biến vật liệu gần như vô giá trị thành khối cấu tạo của giá trị. Đó là những gì xảy ra tại TSMC.
Sự thành công của TSMC xây dựng trên triết lý kinh doanh. Công ty được biết đến với tên gọi "pure play", có nghĩa tất cả những gì họ làm là sản xuất chip theo yêu cầu cho khách hàng. Những công ty này bao gồm công ty bán dẫn không có nhà máy sản xuất như Marvell, AMD, MediaTek và Broadcom; các công ty điện tử tiêu dùng không có nhà máy sản xuất chip như Apple và Nvidia. Đổi lại, TSMC phải dựa vào những món quà của các quốc gia khác. Các công ty như Sumco ở Nhật Bản chế biến cát silicon đa tinh thể để tạo ra các thỏi silicon đơn tinh thể nóng. Với máy cưa dây kim cương, máy móc Sumco cắt các tấm wafer lấp lánh, đánh bóng mịn màng đến nỗi không cảm nhận được gì dưới đầu ngón tay, là những vật thể phẳng nhất thế giới. Từ những wafer này, máy móc tự động của TSMC mà nhiều trong số đó được sản xuất bởi ASML, khắc hàng tỷ bóng bán dẫn lên mỗi phần có kích thước chip; các wafer lớn nhất tạo ra hàng trăm chip. Mỗi bóng bán dẫn nhỏ hơn khoảng 1.000 lần so với mắt thường có thể nhìn thấy.
TSMC cung cấp bộ não cho nhiều sản phẩm nhưng không bao giờ nhận công. Các nhà máy sản xuất hoạt động ở hậu trường và dưới lớp áo tàng hình, lặng lẽ can thiệp. TSMC dường như thích sự bí ẩn này nhưng bất kỳ ai trong ngành đều hiểu rằng, nếu chip TSMC biến mất khỏi thế giới, mọi iPad, iPhone và Mac mới sẽ ngay lập tức bị hỏng. Sự vô hình và tính thiết yếu đối với nhân loại của TSMC là điều mà CEO Jensen Huang của Nvidia thích nói đùa. "Về cơ bản, có không khí — và TSMC", ông nói tại Stanford năm 2014.
Nhân viên tại TSMC được trả lương tốt theo tiêu chuẩn của Đài Loan. Mức lương khởi điểm cho một kỹ sư tương đương với khoảng 5.400 đô la Mỹ mỗi tháng, trong khi tiền thuê nhà cho một căn hộ một phòng ngủ ở Tân Trúc là khoảng 450 đô la Mỹ. Hiện tại, 20.000 kỹ thuật viên làm việc tại TSMC chiếm 1/3 lực lượng lao động, giám sát từng bước. Các kỹ sư hệ thống và nhà nghiên cứu vật liệu với lịch trình làm việc liên tục ngày đêm được đánh thức khỏi giấc ngủ để khắc phục các trục trặc vô cùng nhỏ trong chip. Một tỷ lệ phần trăm chip vẫn không được sản xuất, mặc dù AI thực hiện hầu hết công việc cứu hộ nhưng vẫn do con người dự đoán và giải quyết các vấn đề khó khăn nhất trong việc tìm cách tăng năng suất. Phát hiện ra các khuyết tật nano trên một con chip giống việc phát hiện ra một đồng 50 xu trên mặt trăng từ sân sau nhà bạn.
Sự biến đổi chất xảy ra bên trong các nhà máy sản xuất diễn ra như thế này. Đầu tiên là wafer silicon. Một máy chiếu, thấu kính của nó được phủ bởi một tấm kính khắc các họa tiết đặc biệt, được đặt lên trên wafer. Sau đó, ánh sáng cực tím được chiếu qua tấm kính và lên wafer, in một thiết kế lên đó trước khi được tắm trong hóa chất để khắc theo họa tiết. Điều này xảy ra lặp đi lặp lại cho đến khi hàng chục lớp mạng lưới được in trên silicon. Cuối cùng, các chip được cắt ra khỏi wafer. Mỗi chip, với hàng tỷ bóng bán dẫn được xếp chồng lên nhau, tương đương với một bàn cờ nhiều chiều nguyên tử với hàng tỷ ô vuông. Các tổ hợp tiềm năng của bật và tắt chỉ có thể được coi là vô tận.
Các công ty bán dẫn của Mỹ phát hiện ra Đài Loan là nơi để thuê ngoài việc lắp ráp chip lý tưởng. Năm 1976, RCA bắt đầu chia sẻ công nghệ với kỹ sư Đài Loan. Texas Instruments dưới sự chỉ đạo của Morris Chang khi đó phụ trách hoạt động kinh doanh bán dẫn toàn cầu, đã mở một cơ sở ở quận Trung Hòa gần Đài Bắc. Trong những năm 70 và 80, chip được sản xuất để xuất khẩu và ít người Đài Loan biết các nhà máy sản xuất cái gì. "Lúc đầu, chúng tôi thực sự không biết gì về một con chip", Chan nói, "Chip đi kèm với tương cà chua? Chúng tôi không biết gì cả."
Chính phủ Đài Loan tiếp cận công ty Mỹ Wang Laboratories vào những năm 1980 với một câu hỏi khó: Làm thế nào để bạn tạo ra một máy tính? An Wang, người sáng lập công ty sinh ra ở Thượng Hải, đã nhận lời thách thức tiến hành nghiên cứu về việc sản xuất máy tính ở Đài Loan, cuối cùng chuyển nhiều hoạt động đến hòn đảo này.
"Sự chú ý cẩn thận đến giáo dục trong 30 năm qua đã bắt đầu mang lại kết quả", Wang nói về Đài Loan năm 1982. "Sản lượng tốt nghiệp kỹ thuật so với tổng dân số cao hơn nhiều so với ở Mỹ." Wang đã thành lập một cơ sở R&D tại Khu công nghiệp Tân Trúc mới được xây dựng.
Trong khi đó, ở Dallas, Morris Chang đang quay cuồng tại Texas Instruments. Ông không thấy đường nào cho mình ở TI, vì vậy đã ra đi để xây dựng một con đường ở Đài Loan. Đầu tiên, nhận một công việc điều hành Viện Nghiên cứu Công nghệ Công nghiệp được chính phủ Đài Loan thành lập để nghiên cứu kỹ thuật công nghiệp, đặc biệt là bán dẫn. Sau đó, năm 1987, bộ trưởng phụ trách công nghệ và khoa học K. T. Li đã thuyết phục Chang thành lập một công ty sản xuất tư nhân để xuất khẩu chip và tạo ra nhiều tiền hơn cho nghiên cứu.
TSMC đã mở nhà máy sản xuất đầu tiên vào năm đó và không lâu sau đặt viên đá góc móng cho trụ sở chính của mình tại cùng một công viên Tân Trúc với UMC và Wang. Chính phủ Đài Loan và công ty điện tử Hà Lan Philips là những nhà đầu tư lớn đầu tiên. Mối liên hệ giữa Đài Loan và Hà Lan được hình thành vào đầu thế kỷ 17 khi Công ty Đông Ấn Hà Lan thành lập một căn cứ thương mại trên đảo, trở thành chủ đề trong ngành bán dẫn. Không chỉ Philips đóng vai trò quan trọng trong việc thành lập TSMC, người anh em cùng ngành sản xuất chip hiện nay là gã khổng lồ có trụ sở tại Veldhoven ASML, cũng có liên hệ với Philips.
Chip không có tương cà chua cuối cùng thay thế ô và búp bê Barbie trong nền kinh tế Đài Loan. Với các kỹ sư phát triển chip hàng đầu nhanh hơn bất kỳ nơi nào trên trái đất, Đài Loan thực sự đã buộc Mỹ phải dựa vào nó.
Để thực sự cần thiết, một công ty toàn cầu phải đặt mình vào điểm mấu chốt trong chuỗi cung ứng. Chang nói rằng ông nghiên cứu Trận Midway và Stalingrad để xây dựng chiến lược, khéo léo đặt TSMC vào giữa thiết kế và sản phẩm. Kế hoạch là tập trung tối đa vào một thành phần quan trọng nhưng ít được biết đến của máy tính. Sau đó, mời các công ty công nghệ nổi bật hơn đóng cửa nhà máy sản xuất của riêng họ và thuê ngoài TSMC. Chang đã đạt được sự tin tưởng bằng cách làm dịu đi những lo ngại rằng TSMC sẽ đánh cắp thiết kế, vì các nhà máy sản xuất pure-play không sử dụng chúng; TSMC đánh cắp từ các nhà thiết kế chip sẽ giống như một máy in đánh cắp cốt truyện từ các tiểu thuyết gia. Sự cam kết này đã giúp TSMC đạt được thị phần đáng kể.
Đối với Chang, thách thức hấp dẫn nhất của cuộc đời hóa ra lại không đến từ việc sản xuất đồ dùng, mạng Internet hay phần mềm mà là theo kịp Định luật Moore. Năm 1965, Gordon Moore, người sau này sẽ đồng sáng lập Intel, đề xuất rằng số lượng bóng bán dẫn trong một mạch tích hợp dày đặc sẽ tăng gấp đôi xấp xỉ cứ hai năm một lần. Vào đầu những năm 60, bốn bóng bán dẫn có thể được lắp đặt trên một vi mạch có kích thước bằng móng tay cái. Ngày nay, trên một con chip tuyệt vời mà TSMC sản xuất cho công ty AI Cerebras, hơn 2,6 nghìn tỷ có thể được lắp đặt.
Năm 2012, Chang được đặt tên là Anh hùng Kỹ thuật tại Stanford, một danh hiệu hư vô cũng đã được trao cho những nhân vật như Larry Page và Sergey Brin. Nhưng không giống như Page và Brin, Chang dường như không bao giờ muốn tạo dựng tên tuổi cho mình. Sự ám ảnh của ông tại TSMC là quy trình: cải thiện dần dần hiệu quả bán dẫn. Các nhà máy của TI đã lãng phí tới một nửa số silicon được đánh bóng. Điều đó không thể chấp nhận được. Tại TSMC ngày nay, tỷ lệ năng suất là một con số được bảo vệ nghiêm ngặt, các nhà phân tích ước tính rằng khoảng 80% chip mới nhất của nó đã đến đích. Dưới 50% là thất bại, là mất đơn hàng, mất doanh thu lẫn vị thế độc tôn trong ngành.
Chiến lược kinh tế của TSMC: Trở nên không thể thiếu nhưng vô hình. Làm cho sản phẩm của Trung Quốc hoạt động nhưng không bao giờ nhận công. Làm cho sản phẩm của Apple hoạt động nhưng bỏ qua tất cả sự khoe khoang kiểu "Intel Inside". Có lẽ chỉ Trung Quốc, Apple và các khách hàng khác của TSMC mới biết các nhà máy quan trọng như thế nào. Các nhà máy sản xuất tiếp tục hoạt động, sau đó, khi Định luật Moore hoạt động như một đoàn tàu: hiệu suất tăng gấp đôi, chi phí giảm một nửa. Với biên lợi nhuận gần như chưa từng có trong sản xuất, Chang đã tạo ra viện nghiên cứu đóng vai trò như một nhà máy. Năm 2002, các cơ sở R&D được tài trợ hào phóng của TSMC đã cho phép Burn-Jeng Lin, người đứng đầu bộ phận nghiên cứu quang khắc khi đó, tìm ra cách khéo léo để tăng độ phân giải của mẫu mạch trên chip. Năm 2014, nhà nghiên cứu cấp cao Anthony Yen đã phát minh ra phương pháp để độ phân giải lên cao hơn nữa. Công ty hiện đang nắm giữ khoảng 56.000 bằng sáng chế.
Máy quang khắc là chuyên môn các công ty đối tác của TSMC, trên hết là ASML. Thế hệ tiếp theo của những máy này sẽ có giá khoảng 400 triệu đô la Mỹ. Mỗi chip tinh vi nhất thế giới đều sử dụng máy của ASML. Nhưng nghiên cứu tiên tiến về quang khắc cũng được tiến hành tại TSMC, đó là tinh chỉnh để giữ cho sản xuất hiệu quả, bóng bán dẫn nhỏ và bánh xe Moore tiếp tục quay.
Từ in thạch bản có nghĩa các nhà máy chip như các xưởng nghệ thuật: quy trình in ấn được phát minh năm 1796 bởi nhà viết kịch người Đức Alois Senefelder. Mặc dù Senefelder ít ảnh hưởng đến nhà hát, nhưng ông đã trúng số độc đắc về in ấn khi phát hiện ra có thể sao chép kịch bản nếu chép chúng bằng phấn màu nhờn trên đá vôi ướt và sau đó lăn mực lên sáp. Vì dầu và nước không hòa lẫn, nên mực gốc dầu bám vào đá vôi ở một số chỗ và không bám ở những chỗ khác. Đây là nền tảng từ 0 đến 1 của in thạch bản. Cho đến những năm 1960, các kỹ sư điện vẫn đang nhỏ giọt sáp đen lên các khối germani và khắc đi khắc lại. Không phải là một cách tệ để lắp đặt bốn hoặc tám bóng bán dẫn trên một con chip, nhưng khi số lượng tăng lên hàng triệu, hàng tỷ và bây giờ thậm chí là hàng nghìn tỷ, các thành phần đã trở nên vô hình hơn sáp và sau đó nhỏ hơn nhiều, nhiều hơn chỉ là vô hình. Trên đường đi, các kỹ sư bắt đầu khắc bằng ánh sáng.
Việc khắc trên các thành phần thu nhỏ này đòi hỏi ánh sáng càng chính xác hơn. Bước sóng các chùm tia cứ thu hẹp lại cho đến khi ánh sáng cuối cùng rời khỏi phổ nhìn thấy được. Sau đó, vào khoảng năm 2000, các nhà sản xuất chip đối mặt với một trong những cơn hoảng loạn định kỳ của họ rằng Định luật Moore đã bị đình trệ. Để đến được bóng bán dẫn 65 nanomet, "vẫn có thể sử dụng hệ thống đã được thử nghiệm", Lin nói. "Nhưng tôi đã thấy trước rằng ở node tiếp theo 45 nanomet, chúng ta sẽ gặp khó khăn."
Burn-Jeng Lin, cựu giám đốc nghiên cứu của TSMC và là người phát minh ra kỹ thuật quang khắc nhúng
Mọi người đang đặt cược vào ánh sáng cực tím, nhưng sẽ mất nhiều năm trước khi các máy in thạch bản trong nhà máy có thể huy động đủ năng lượng nguồn ổn định cho điều đó. Một ý tưởng khác là sử dụng cái mà Lin gọi là bước sóng "ít mạnh mẽ hơn", ở đâu đó giữa tia cực tím sâu và cực tím. Nhưng vì ánh sáng như vậy không thể xuyên qua các thấu kính hiện có, nên nó sẽ cần một thấu kính mới lạ được làm bằng canxi florua. Các nhà nghiên cứu đã xây dựng hàng trăm lò để nuôi dưỡng tinh thể phù hợp, nhưng không có phương pháp nào hiệu quả. Gần một tỷ đô la Mỹ đã tan thành mây khói.
Khoảng năm 2002, Lin quyết định rằng họ đang lãng phí thời gian. Ông muốn quên đi bước sóng mới và thấu kính không thể mà thay vào đó sử dụng nước. Với chỉ số khúc xạ có thể dự đoán được, nước sẽ mang lại cho in thạch bản quyền kiểm soát tốt hơn đối với bước sóng mà họ đã biết. Ông phát minh ra một hệ thống để giữ cho nước hoàn toàn đồng nhất, sau đó chiếu ánh sáng qua nó lên wafer. Bingo! Ông có thể khắc bóng bán dẫn nhỏ tới 28 nanomet không có khuyết tật. "Nước là một phép màu", Lin nói. "Không chỉ đối với TSMC. Đó là một phép màu đối với toàn nhân loại. Chúa rất tốt bụng với cá. Và cũng với chúng ta." TSMC giờ đang dẫn đầu trong nghiên cứu bán dẫn. Nhưng vẫn còn chịu sự chi phối của Moore và áp lực không hề giảm xuống. Năm 2014, Anthony Yen kế nhiệm Lin làm người đứng đầu bộ phận nghiên cứu tại TSMC, đã phát triển thế hệ in thạch bản tiếp theo trong một thập kỷ. Yen, người hiện đang điều hành bộ phận nghiên cứu tại ASML, nói rằng quang khắc EUV đã được hoàn thiện vào mùa thu năm đó.
“Chúng tôi luôn làm việc muộn tại TSMC,” Yen nói. Vào tối ngày 14 tháng 10, ông đang chuẩn bị cho một đêm đặc biệt dài. Một nhóm từ ASML đã đến TSMC để thử nghiệm các điều kiện nguồn điện mới mà nhóm của Yen đã nghiên cứu. Với các thông số kỹ thuật hiện có, nguồn điện chỉ đáng tin cậy ở mức 10 watt; với những thông số mới, họ hy vọng đạt được 250 watt. Yen ăn tối nhanh chóng, mặc đồ bảo hộ và vào nhà máy sản xuất, nơi họ bắt đầu tăng công suất. Khi đạt 90 watt, đó là lúc ông ấy biết. “Đây là khoảnh khắc đột phá”, Yen nói.
Sự chuyển đổi từ 10 đến 90 watt có nghĩa là công suất tăng gấp chín lần. Việc máy móc đã đạt được điều này có nghĩa là đối với Yen, bước nhảy từ 90 lên 250 watt chỉ gấp ba lần hoàn toàn khả thi. Nó là điều không thể tránh khỏi. Yen trở nên rất phấn khích — “quá phấn khích”, ông nói — đến nỗi thậm chí không thể ở lại để xem công suất đạt 250 watt. Ông ấy chạy ra khỏi nhà máy sản xuất, vứt bỏ bộ đồ bảo hộ của mình. “Tôi sung sướng quá. Tôi như đang phê thuốc. Đối với người có đức tin, đó là một trải nghiệm tôn giáo thực sự.” TSMC đã có được công suất cần thiết. Công ty đã tiếp tục tinh chỉnh tất cả các quy trình với ASML nhằm hoàn thiện kỹ thuật EUV. Ngày nay, bóng bán dẫn của TSMC đã giảm xuống chỉ hơn 2 nanomet — nhỏ nhất thế giới. Những viên ngọc quý vô hình này được đưa vào sản xuất năm 2025.
#Cuộcchiếnbándẫn #Cuộcchiếnchip2nm #CuộcchiếnbándẫnMỹTrung #chip2nm #TSMC
Tại một khu công nghiệp ở Tân Trúc, thành phố ven biển phía tây nam Đài Bắc, có 1 công ty được mệnh danh là báu vật bảo hộ của Đài Loan: TSMC.
TSMC là công ty sản xuất chất bán dẫn lớn nhất thế giới. Năm 2020, nó lặng lẽ gia nhập top 10 công ty có giá trị nhất thế giới. Giờ đây, nó còn lớn hơn cả Meta và Exxon. Công ty có năng lực sản xuất chip logic lớn nhất thế giới và làm ra tới những con chip tiên tiến nằm bên trong vũ khí hạt nhân, máy bay, tàu ngầm và tên lửa siêu thanh mà sự cân bằng quyền lực quốc tế dựa trên đó. Họ sản xuất 1/3 tổng số chip silicon trên thế giới, đáng chú ý là chip trong iPhone và Mac. Cứ 6 tháng một lần, chỉ 1 trong 13 nhà máy sản xuất TSMC — nhà máy Fab 18 ở Đài Nam — tạo ra và khắc hàng triệu tỷ bóng bán dẫn cho Apple. Dưới dạng những kiệt tác thu nhỏ nằm trên vi mạch, ngành công nghiệp bán dẫn tạo ra nhiều sản phẩm hơn trong một năm so với tổng số sản phẩm được sản xuất tại tất cả các nhà máy khác trong tất cả các ngành công nghiệp khác trong lịch sử thế giới.
Nhưng không giống như đồng hay cỏ linh lăng, chip không phải nguyên liệu thô. Có lẽ chúng là tiền tệ, đồng tiền của vương quốc toàn cầu được định giá theo đơn vị sức mạnh xử lý. Thật vậy, giống như các biểu tượng huyền bí biến những mảnh vải bông-lanh tầm thường thành tiền đô la, các họa tiết bí ẩn được tạo ra trên những mẩu silicon thông thường — bằng các kỹ thuật in ấn như các kỹ thuật in tiền giấy — biến vật liệu gần như vô giá trị thành khối cấu tạo của giá trị. Đó là những gì xảy ra tại TSMC.
Sự thành công của TSMC xây dựng trên triết lý kinh doanh. Công ty được biết đến với tên gọi "pure play", có nghĩa tất cả những gì họ làm là sản xuất chip theo yêu cầu cho khách hàng. Những công ty này bao gồm công ty bán dẫn không có nhà máy sản xuất như Marvell, AMD, MediaTek và Broadcom; các công ty điện tử tiêu dùng không có nhà máy sản xuất chip như Apple và Nvidia. Đổi lại, TSMC phải dựa vào những món quà của các quốc gia khác. Các công ty như Sumco ở Nhật Bản chế biến cát silicon đa tinh thể để tạo ra các thỏi silicon đơn tinh thể nóng. Với máy cưa dây kim cương, máy móc Sumco cắt các tấm wafer lấp lánh, đánh bóng mịn màng đến nỗi không cảm nhận được gì dưới đầu ngón tay, là những vật thể phẳng nhất thế giới. Từ những wafer này, máy móc tự động của TSMC mà nhiều trong số đó được sản xuất bởi ASML, khắc hàng tỷ bóng bán dẫn lên mỗi phần có kích thước chip; các wafer lớn nhất tạo ra hàng trăm chip. Mỗi bóng bán dẫn nhỏ hơn khoảng 1.000 lần so với mắt thường có thể nhìn thấy.
TSMC cung cấp bộ não cho nhiều sản phẩm nhưng không bao giờ nhận công. Các nhà máy sản xuất hoạt động ở hậu trường và dưới lớp áo tàng hình, lặng lẽ can thiệp. TSMC dường như thích sự bí ẩn này nhưng bất kỳ ai trong ngành đều hiểu rằng, nếu chip TSMC biến mất khỏi thế giới, mọi iPad, iPhone và Mac mới sẽ ngay lập tức bị hỏng. Sự vô hình và tính thiết yếu đối với nhân loại của TSMC là điều mà CEO Jensen Huang của Nvidia thích nói đùa. "Về cơ bản, có không khí — và TSMC", ông nói tại Stanford năm 2014.
Nhân viên tại TSMC được trả lương tốt theo tiêu chuẩn của Đài Loan. Mức lương khởi điểm cho một kỹ sư tương đương với khoảng 5.400 đô la Mỹ mỗi tháng, trong khi tiền thuê nhà cho một căn hộ một phòng ngủ ở Tân Trúc là khoảng 450 đô la Mỹ. Hiện tại, 20.000 kỹ thuật viên làm việc tại TSMC chiếm 1/3 lực lượng lao động, giám sát từng bước. Các kỹ sư hệ thống và nhà nghiên cứu vật liệu với lịch trình làm việc liên tục ngày đêm được đánh thức khỏi giấc ngủ để khắc phục các trục trặc vô cùng nhỏ trong chip. Một tỷ lệ phần trăm chip vẫn không được sản xuất, mặc dù AI thực hiện hầu hết công việc cứu hộ nhưng vẫn do con người dự đoán và giải quyết các vấn đề khó khăn nhất trong việc tìm cách tăng năng suất. Phát hiện ra các khuyết tật nano trên một con chip giống việc phát hiện ra một đồng 50 xu trên mặt trăng từ sân sau nhà bạn.
Sự biến đổi chất xảy ra bên trong các nhà máy sản xuất diễn ra như thế này. Đầu tiên là wafer silicon. Một máy chiếu, thấu kính của nó được phủ bởi một tấm kính khắc các họa tiết đặc biệt, được đặt lên trên wafer. Sau đó, ánh sáng cực tím được chiếu qua tấm kính và lên wafer, in một thiết kế lên đó trước khi được tắm trong hóa chất để khắc theo họa tiết. Điều này xảy ra lặp đi lặp lại cho đến khi hàng chục lớp mạng lưới được in trên silicon. Cuối cùng, các chip được cắt ra khỏi wafer. Mỗi chip, với hàng tỷ bóng bán dẫn được xếp chồng lên nhau, tương đương với một bàn cờ nhiều chiều nguyên tử với hàng tỷ ô vuông. Các tổ hợp tiềm năng của bật và tắt chỉ có thể được coi là vô tận.
Các công ty bán dẫn của Mỹ phát hiện ra Đài Loan là nơi để thuê ngoài việc lắp ráp chip lý tưởng. Năm 1976, RCA bắt đầu chia sẻ công nghệ với kỹ sư Đài Loan. Texas Instruments dưới sự chỉ đạo của Morris Chang khi đó phụ trách hoạt động kinh doanh bán dẫn toàn cầu, đã mở một cơ sở ở quận Trung Hòa gần Đài Bắc. Trong những năm 70 và 80, chip được sản xuất để xuất khẩu và ít người Đài Loan biết các nhà máy sản xuất cái gì. "Lúc đầu, chúng tôi thực sự không biết gì về một con chip", Chan nói, "Chip đi kèm với tương cà chua? Chúng tôi không biết gì cả."
Chính phủ Đài Loan tiếp cận công ty Mỹ Wang Laboratories vào những năm 1980 với một câu hỏi khó: Làm thế nào để bạn tạo ra một máy tính? An Wang, người sáng lập công ty sinh ra ở Thượng Hải, đã nhận lời thách thức tiến hành nghiên cứu về việc sản xuất máy tính ở Đài Loan, cuối cùng chuyển nhiều hoạt động đến hòn đảo này.
"Sự chú ý cẩn thận đến giáo dục trong 30 năm qua đã bắt đầu mang lại kết quả", Wang nói về Đài Loan năm 1982. "Sản lượng tốt nghiệp kỹ thuật so với tổng dân số cao hơn nhiều so với ở Mỹ." Wang đã thành lập một cơ sở R&D tại Khu công nghiệp Tân Trúc mới được xây dựng.
Trong khi đó, ở Dallas, Morris Chang đang quay cuồng tại Texas Instruments. Ông không thấy đường nào cho mình ở TI, vì vậy đã ra đi để xây dựng một con đường ở Đài Loan. Đầu tiên, nhận một công việc điều hành Viện Nghiên cứu Công nghệ Công nghiệp được chính phủ Đài Loan thành lập để nghiên cứu kỹ thuật công nghiệp, đặc biệt là bán dẫn. Sau đó, năm 1987, bộ trưởng phụ trách công nghệ và khoa học K. T. Li đã thuyết phục Chang thành lập một công ty sản xuất tư nhân để xuất khẩu chip và tạo ra nhiều tiền hơn cho nghiên cứu.
TSMC đã mở nhà máy sản xuất đầu tiên vào năm đó và không lâu sau đặt viên đá góc móng cho trụ sở chính của mình tại cùng một công viên Tân Trúc với UMC và Wang. Chính phủ Đài Loan và công ty điện tử Hà Lan Philips là những nhà đầu tư lớn đầu tiên. Mối liên hệ giữa Đài Loan và Hà Lan được hình thành vào đầu thế kỷ 17 khi Công ty Đông Ấn Hà Lan thành lập một căn cứ thương mại trên đảo, trở thành chủ đề trong ngành bán dẫn. Không chỉ Philips đóng vai trò quan trọng trong việc thành lập TSMC, người anh em cùng ngành sản xuất chip hiện nay là gã khổng lồ có trụ sở tại Veldhoven ASML, cũng có liên hệ với Philips.
Chip không có tương cà chua cuối cùng thay thế ô và búp bê Barbie trong nền kinh tế Đài Loan. Với các kỹ sư phát triển chip hàng đầu nhanh hơn bất kỳ nơi nào trên trái đất, Đài Loan thực sự đã buộc Mỹ phải dựa vào nó.
Để thực sự cần thiết, một công ty toàn cầu phải đặt mình vào điểm mấu chốt trong chuỗi cung ứng. Chang nói rằng ông nghiên cứu Trận Midway và Stalingrad để xây dựng chiến lược, khéo léo đặt TSMC vào giữa thiết kế và sản phẩm. Kế hoạch là tập trung tối đa vào một thành phần quan trọng nhưng ít được biết đến của máy tính. Sau đó, mời các công ty công nghệ nổi bật hơn đóng cửa nhà máy sản xuất của riêng họ và thuê ngoài TSMC. Chang đã đạt được sự tin tưởng bằng cách làm dịu đi những lo ngại rằng TSMC sẽ đánh cắp thiết kế, vì các nhà máy sản xuất pure-play không sử dụng chúng; TSMC đánh cắp từ các nhà thiết kế chip sẽ giống như một máy in đánh cắp cốt truyện từ các tiểu thuyết gia. Sự cam kết này đã giúp TSMC đạt được thị phần đáng kể.
Đối với Chang, thách thức hấp dẫn nhất của cuộc đời hóa ra lại không đến từ việc sản xuất đồ dùng, mạng Internet hay phần mềm mà là theo kịp Định luật Moore. Năm 1965, Gordon Moore, người sau này sẽ đồng sáng lập Intel, đề xuất rằng số lượng bóng bán dẫn trong một mạch tích hợp dày đặc sẽ tăng gấp đôi xấp xỉ cứ hai năm một lần. Vào đầu những năm 60, bốn bóng bán dẫn có thể được lắp đặt trên một vi mạch có kích thước bằng móng tay cái. Ngày nay, trên một con chip tuyệt vời mà TSMC sản xuất cho công ty AI Cerebras, hơn 2,6 nghìn tỷ có thể được lắp đặt.
Năm 2012, Chang được đặt tên là Anh hùng Kỹ thuật tại Stanford, một danh hiệu hư vô cũng đã được trao cho những nhân vật như Larry Page và Sergey Brin. Nhưng không giống như Page và Brin, Chang dường như không bao giờ muốn tạo dựng tên tuổi cho mình. Sự ám ảnh của ông tại TSMC là quy trình: cải thiện dần dần hiệu quả bán dẫn. Các nhà máy của TI đã lãng phí tới một nửa số silicon được đánh bóng. Điều đó không thể chấp nhận được. Tại TSMC ngày nay, tỷ lệ năng suất là một con số được bảo vệ nghiêm ngặt, các nhà phân tích ước tính rằng khoảng 80% chip mới nhất của nó đã đến đích. Dưới 50% là thất bại, là mất đơn hàng, mất doanh thu lẫn vị thế độc tôn trong ngành.
Chiến lược kinh tế của TSMC: Trở nên không thể thiếu nhưng vô hình. Làm cho sản phẩm của Trung Quốc hoạt động nhưng không bao giờ nhận công. Làm cho sản phẩm của Apple hoạt động nhưng bỏ qua tất cả sự khoe khoang kiểu "Intel Inside". Có lẽ chỉ Trung Quốc, Apple và các khách hàng khác của TSMC mới biết các nhà máy quan trọng như thế nào. Các nhà máy sản xuất tiếp tục hoạt động, sau đó, khi Định luật Moore hoạt động như một đoàn tàu: hiệu suất tăng gấp đôi, chi phí giảm một nửa. Với biên lợi nhuận gần như chưa từng có trong sản xuất, Chang đã tạo ra viện nghiên cứu đóng vai trò như một nhà máy. Năm 2002, các cơ sở R&D được tài trợ hào phóng của TSMC đã cho phép Burn-Jeng Lin, người đứng đầu bộ phận nghiên cứu quang khắc khi đó, tìm ra cách khéo léo để tăng độ phân giải của mẫu mạch trên chip. Năm 2014, nhà nghiên cứu cấp cao Anthony Yen đã phát minh ra phương pháp để độ phân giải lên cao hơn nữa. Công ty hiện đang nắm giữ khoảng 56.000 bằng sáng chế.
Máy quang khắc là chuyên môn các công ty đối tác của TSMC, trên hết là ASML. Thế hệ tiếp theo của những máy này sẽ có giá khoảng 400 triệu đô la Mỹ. Mỗi chip tinh vi nhất thế giới đều sử dụng máy của ASML. Nhưng nghiên cứu tiên tiến về quang khắc cũng được tiến hành tại TSMC, đó là tinh chỉnh để giữ cho sản xuất hiệu quả, bóng bán dẫn nhỏ và bánh xe Moore tiếp tục quay.
Từ in thạch bản có nghĩa các nhà máy chip như các xưởng nghệ thuật: quy trình in ấn được phát minh năm 1796 bởi nhà viết kịch người Đức Alois Senefelder. Mặc dù Senefelder ít ảnh hưởng đến nhà hát, nhưng ông đã trúng số độc đắc về in ấn khi phát hiện ra có thể sao chép kịch bản nếu chép chúng bằng phấn màu nhờn trên đá vôi ướt và sau đó lăn mực lên sáp. Vì dầu và nước không hòa lẫn, nên mực gốc dầu bám vào đá vôi ở một số chỗ và không bám ở những chỗ khác. Đây là nền tảng từ 0 đến 1 của in thạch bản. Cho đến những năm 1960, các kỹ sư điện vẫn đang nhỏ giọt sáp đen lên các khối germani và khắc đi khắc lại. Không phải là một cách tệ để lắp đặt bốn hoặc tám bóng bán dẫn trên một con chip, nhưng khi số lượng tăng lên hàng triệu, hàng tỷ và bây giờ thậm chí là hàng nghìn tỷ, các thành phần đã trở nên vô hình hơn sáp và sau đó nhỏ hơn nhiều, nhiều hơn chỉ là vô hình. Trên đường đi, các kỹ sư bắt đầu khắc bằng ánh sáng.
Việc khắc trên các thành phần thu nhỏ này đòi hỏi ánh sáng càng chính xác hơn. Bước sóng các chùm tia cứ thu hẹp lại cho đến khi ánh sáng cuối cùng rời khỏi phổ nhìn thấy được. Sau đó, vào khoảng năm 2000, các nhà sản xuất chip đối mặt với một trong những cơn hoảng loạn định kỳ của họ rằng Định luật Moore đã bị đình trệ. Để đến được bóng bán dẫn 65 nanomet, "vẫn có thể sử dụng hệ thống đã được thử nghiệm", Lin nói. "Nhưng tôi đã thấy trước rằng ở node tiếp theo 45 nanomet, chúng ta sẽ gặp khó khăn."
Burn-Jeng Lin, cựu giám đốc nghiên cứu của TSMC và là người phát minh ra kỹ thuật quang khắc nhúng
Mọi người đang đặt cược vào ánh sáng cực tím, nhưng sẽ mất nhiều năm trước khi các máy in thạch bản trong nhà máy có thể huy động đủ năng lượng nguồn ổn định cho điều đó. Một ý tưởng khác là sử dụng cái mà Lin gọi là bước sóng "ít mạnh mẽ hơn", ở đâu đó giữa tia cực tím sâu và cực tím. Nhưng vì ánh sáng như vậy không thể xuyên qua các thấu kính hiện có, nên nó sẽ cần một thấu kính mới lạ được làm bằng canxi florua. Các nhà nghiên cứu đã xây dựng hàng trăm lò để nuôi dưỡng tinh thể phù hợp, nhưng không có phương pháp nào hiệu quả. Gần một tỷ đô la Mỹ đã tan thành mây khói.
Khoảng năm 2002, Lin quyết định rằng họ đang lãng phí thời gian. Ông muốn quên đi bước sóng mới và thấu kính không thể mà thay vào đó sử dụng nước. Với chỉ số khúc xạ có thể dự đoán được, nước sẽ mang lại cho in thạch bản quyền kiểm soát tốt hơn đối với bước sóng mà họ đã biết. Ông phát minh ra một hệ thống để giữ cho nước hoàn toàn đồng nhất, sau đó chiếu ánh sáng qua nó lên wafer. Bingo! Ông có thể khắc bóng bán dẫn nhỏ tới 28 nanomet không có khuyết tật. "Nước là một phép màu", Lin nói. "Không chỉ đối với TSMC. Đó là một phép màu đối với toàn nhân loại. Chúa rất tốt bụng với cá. Và cũng với chúng ta." TSMC giờ đang dẫn đầu trong nghiên cứu bán dẫn. Nhưng vẫn còn chịu sự chi phối của Moore và áp lực không hề giảm xuống. Năm 2014, Anthony Yen kế nhiệm Lin làm người đứng đầu bộ phận nghiên cứu tại TSMC, đã phát triển thế hệ in thạch bản tiếp theo trong một thập kỷ. Yen, người hiện đang điều hành bộ phận nghiên cứu tại ASML, nói rằng quang khắc EUV đã được hoàn thiện vào mùa thu năm đó.
“Chúng tôi luôn làm việc muộn tại TSMC,” Yen nói. Vào tối ngày 14 tháng 10, ông đang chuẩn bị cho một đêm đặc biệt dài. Một nhóm từ ASML đã đến TSMC để thử nghiệm các điều kiện nguồn điện mới mà nhóm của Yen đã nghiên cứu. Với các thông số kỹ thuật hiện có, nguồn điện chỉ đáng tin cậy ở mức 10 watt; với những thông số mới, họ hy vọng đạt được 250 watt. Yen ăn tối nhanh chóng, mặc đồ bảo hộ và vào nhà máy sản xuất, nơi họ bắt đầu tăng công suất. Khi đạt 90 watt, đó là lúc ông ấy biết. “Đây là khoảnh khắc đột phá”, Yen nói.
Sự chuyển đổi từ 10 đến 90 watt có nghĩa là công suất tăng gấp chín lần. Việc máy móc đã đạt được điều này có nghĩa là đối với Yen, bước nhảy từ 90 lên 250 watt chỉ gấp ba lần hoàn toàn khả thi. Nó là điều không thể tránh khỏi. Yen trở nên rất phấn khích — “quá phấn khích”, ông nói — đến nỗi thậm chí không thể ở lại để xem công suất đạt 250 watt. Ông ấy chạy ra khỏi nhà máy sản xuất, vứt bỏ bộ đồ bảo hộ của mình. “Tôi sung sướng quá. Tôi như đang phê thuốc. Đối với người có đức tin, đó là một trải nghiệm tôn giáo thực sự.” TSMC đã có được công suất cần thiết. Công ty đã tiếp tục tinh chỉnh tất cả các quy trình với ASML nhằm hoàn thiện kỹ thuật EUV. Ngày nay, bóng bán dẫn của TSMC đã giảm xuống chỉ hơn 2 nanomet — nhỏ nhất thế giới. Những viên ngọc quý vô hình này được đưa vào sản xuất năm 2025.
#Cuộcchiếnbándẫn #Cuộcchiếnchip2nm #CuộcchiếnbándẫnMỹTrung #chip2nm #TSMC
