Cỗ máy 150 triệu USD mà ngành bán dẫn Trung Quốc thèm khát

Những ngày qua, Tổng thống Mỹ Joe Biden và các nhà lập pháp ở Washington đang bày tỏ quan sâu sắc trước tham vọng làm chủ công nghệ chip nền tảng của Trung Quốc. Tuy nhiên, việc thiếu một cỗ máy quan trọng khiến giấc mơ của Trung Quốc khó thành sự thật.

Cỗ máy này được xem như đòn bẩy quan trọng trong chính sách chống lại Trung Quốc

Máy quang khắc EUV của công ty ASML đến từ Hà Lan là một phần không thể thiếu trong quá trình sản xuất chip xử lý. Hệ thống của máy sử dụng một loại ánh sáng đặc biệt tạo nên các đường khắc siêu nhỏ – chỉ bằng vài chục phần triệu bề rộng của sợi tóc người – trên bề mặt chất bán dẫn, để từ đó tạo nên các điện cực cũng như các cổng điều khiển dòng điện qua các cực đó.

Được biết, để phát minh ra công cụ này, các nhà nghiên cứu đã mất đến hàng chục năm phát triển và mới đi vào sản xuất hàng loạt từ năm 2017. Mỗi chiếc máy quang khắc EUV có giá hơn 150 triệu USD và phải cần đến 40 container, 20 xe tải và ba chiếc máy bay Boeing 747 để vận chuyển.

Cỗ máy phức tạp này được xem là yếu tố then chốt để tạo ra những vi xử lý tiên tiến nhất. Ngoài ra, nó còn có ý nghĩa lớn lao về mặt địa chính trị trong bối cảnh căng thẳng Mỹ - Trung như hiện nay.

Từ thời cựu Tổng thống Donald Trump, Mỹ đã vận động thành công chính phủ Hà Lan không bán máy quang khắc cho Trung Quốc vào năm 2019. Đến nay, chính quyền Biden không có bất kỳ dấu hiệu nào cho thấy sẽ đảo ngược lập trường cứng rắn đó.

Các nhà sản xuất không thể chế tạo chip hiện đại nếu thiếu đi hệ thống quang khắc. Theo chuyên gia phân tích Will Hunt, chỉ có ASML của Hà Lan mới sản xuất được nó và Trung Quốc cần ít nhất một thập kỷ để học hỏi và chế tạo thiết bị tương tự.

Qua đó thấy được, cỗ máy của ASML là một mắt xích quan trọng trong chuỗi cung ứng chip khi đóng vai trò hoạt động như bộ não của máy tính và các thiết bị kỹ thuật số. Ngoài ra, đây còn là thành phẩm hợp tác giữa Nhật Bản, Mỹ và Đức về năng lực chuyên môn và các linh kiện sản xuất.

Máy quang khắc EUV là hồi chuông cho thấy mức độ toàn cầu hóa của chuỗi cung ứng bán dẫn, là một thực tế phải chấp nhận đối với mọi quốc gia muốn đi đầu về lĩnh vực bán dẫn. Không riêng gì Trung Quốc mà cả với Mỹ, Quốc hội nước này đang tranh cãi về kế hoạch chi hơn 50 tỷ USD để giảm sự phụ thuộc vào các nhà sản xuất chip nước ngoài.

Nhiều ban ngành của chính phủ liên bang, đặc biệt là Lầu Năm Góc, đã lo lắng trước sự phụ thuộc của Mỹ vào đối tác gia công chip theo hợp đồng lớn nhất thế giới từ Đài Loan, TSMC.

Nghiên cứu đầu năm nay của công ty tư vấn Boston và Hiệp hội Công nghiệp Chất bán dẫn ước tính việc tạo ra một chuỗi cung ứng chip độc lập sẽ phải mất ít nhất 1 nghìn tỷ USD và khiến giá chip và các sản phẩm làm từ chúng tăng cao.

Giáo sư Willy Shih chuyên nghiên cứu về chuỗi cung ứng từ Trường Kinh doanh Harvard cho biết, mục tiêu xây dựng hệ sinh thái bán dẫn tự cung tự cấp là không khả thi đối với bất kỳ quốc gia nào. Công nghệ của ASML là minh chứng tuyệt vời cho thấy lý do vì sao thế giới lại có quan hệ thương mại toàn cầu.

Tuy không được nhiều người biết đến, ASML lại sở hữu vai trò quan trọng bậc nhất và không thể thay thế bởi bất kỳ công ty nào khác, ít nhất là tính đến thời điểm hiện tại.

Được thành lập vào năm 1984 bởi liên minh hợp tác giữa ông lớn điện tử Philips và ASMI (Advanced Semiconductor Materials International) – tập đoàn chuyên thiết kế, sản xuất, kinh doanh và dịch vụ thiết bị gia công wafer bán dẫn để chế tạo các thiết bị bán dẫn, ASML nay là một doanh nghiệp độc lập và là nhà cung ứng thiết bị sản xuất chip lên quan tới công nghệ quang khắc (in thạch bản) lớn nhất thế giới.

Như đã đề cập, kỹ thuật in thạch bản sử dụng ánh sáng để khắc các bo mạch siêu nhỏ lên các tấm silicon một cách liền mạch. Càng nhiều bóng bán dẫn và các thành phần được trang bị, chip xử lý sẽ trở nên mạnh mẽ và có thể lưu trữ được nhiều dữ liệu hơn.

Năm 1997, ASML bắt đầu nghiên cứu chuyển sang ánh sáng tia cực tím (EUV). Ánh sáng này có bước sóng siêu nhỏ và có thể tạo ra được các mạch nhỏ hơn nhiều so với in thạch bản thông thường. Nhận biết được tiềm năng công nghệ, ASML quyết định sản xuất máy móc dựa trên công nghệ khắc EUV, một nỗ lực tiêu tốn 8 tỷ USD từ cuối những năm 1990.

Về sau, quá trình phát triển đạt được kết quả giúp tên tuổi của công ty tiến ra toàn cầu. Hiện nay, ASML đang lắp ráp các máy móc hiện đại với kính nhập từ Đức, phần cứng phát triển tại Mỹ, các thành phần linh kiện và hóa chất quan trọng đến từ Nhật Bản

Peter Wennink, giám đốc điều hành của ASML, cho biết việc thiếu hụt kinh phí trong những năm đầu phát triển đã khiến công ty sử dụng phát minh từ một số nhà cung ứng đặc biệt, tạo ra cái mà ông gọi là "mạng lưới hợp tác tri thức", giúp công ty đẩy nhanh tiến độ nghiên cứu dựa trên những nền tảng sẵn có. "Chúng tôi buộc mình không làm những gì mà người khác đã làm tốt hơn", Wennink chia sẻ.

ASML được xây dựng dựa trên sự hợp tác quốc tế. Vào đầu thập niên 80, các nhà nghiên cứu tại Mỹ, Nhật Bản và châu Âu bắt đầu cân nhắc vấn đề thay đổi triệt để giữa các nguồn sáng.Ý tưởng này được đưa ra bởi Intel cùng hai nhà sản xuất chip khác của Mỹ, cùng với phòng thí nghiệm của Bộ Năng lượng Mỹ.

Martin van den Brink, chủ tịch kiêm giám đốc công nghệ của ASML cho biết, ASML bắt đầu tham gia vào tổ chức vào năm 1999 sau hơn một năm đàm phán. Các đối tác khác của công ty bao gồm trung tâm nghiên cứu Imec tại Bỉ và Sematech tại Mỹ. ASML sau đó đã thu hút các khoản đầu tư lớn từ Intel, Samsung và TSMC để giúp tài trợ phát triển.

Tuy nhiên, do tính chất đặc biệt của tia cực tím, quá trình chế tạo máy quang khắc trở nên khó khăn hơn. Cụ thể, kỹ thuật in thạch bản thường tập trung ánh sáng qua thấu kính để khắc các mẫu mạch lên tấm silicon. Song, thủy tinh hấp thụ các bước sóng nhỏ của tia UV, khiến cho thấy kính không hoạt động. Tương tự, gương cũng không khả thi.

Điều đó đồng nghĩa kỹ thuật in thạch bản EUV thế hệ mới đòi hỏi những tấm gương có lớp phủ phức hợp kết hợp với nhau để phản xạ ánh sáng có bước sóng nhỏ tốt hơn.

Chính vì thế, ASML đã hợp tác cùng Zeiss, tập đoàn quang học 175 năm tuổi đến từ Đức, thiết kế hệ thống máy chiếu mới nặng 2 tấn để xử lý tia cực tím cực mạnh, cùng với 6 tấm gương có hình dáng đặc biệt được mài, đánh bóng và tráng trong vài tháng dưới các cỗ máy robot công phu, sử dụng chùm ion để loại bỏ mọi khiếm khuyết.

Dù tạo ra đủ ánh sáng để chiếu qua thấu kính, cách làm này của ASML lại tốn nhiều thời gian. Để giải quyết bài toán đó, Cymer, một công ty con được ASML mua lại vào năm 2013, đã cải tiến hệ thống hướng các xung từ tia laser công suất cao đến các giọt thiếc 50.000 lần mỗi giây để tạo ra được ánh sáng cường độ cao. Nhưng để hệ thống hoạt động, công ty Hà Lan cần đến các đối tác Nhật Bản cung cấp hóa chất cần thiết.

Kể từ khi thương mại hóa mô hình quang khắc EUV hoàn chỉnh vào năm 2017, ASML đã bán được 100 máy cho các đối tác, bao gồm Samsung và TSMC. Được biết, công ty Đài Loan sử dụng công cụ này để sản xuất các bộ vi xử lý do Apple thiết kế. Trong khi Intel và IBM đề cao tầm quan trọng của EUV đối với kế hoạch phát triển của mình.

Ông Dario Gil, phó chủ tịch cấp cao của IBM, nhận định: "Đây rõ ràng là cỗ máy phức tạp nhất con người từng chế tạo".

Các quy định hạn chế của Hà Lan đối với việc xuất khẩu máy móc hiện đại sang Trung Quốc không ảnh hưởng nhiều đến kết quả tài chính của ASML vì có một danh sách dài đơn đặt hàng tồn đọng từ nhiều quốc gia khác đang chờ công ty cung cấp máy quang khắc. Dù vậy, khoảng 15% doanh thu của ASML đến từ việc bán các hệ thống vận hành cũ cho đại lục.

Trong báo cáo tổng kết gửi lên Quốc hội Mỹ và Tổng thống Biden hồi tháng 3, Ủy ban An ninh quốc gia về Trí tuệ nhân tạo của nước này đề xuất mở rộng lệnh cấm xuất khẩu sang các máy ASML tiên tiến khác. Mục tiêu của Mỹ là tìm cách hạn chế những tiến bộ của AI với các ứng dụng quân sự mà Trung Quốc đạt được.

Dù vậy, Will Hunt cùng các chuyên gia hoạch định chính sách cho rằng Trung Quốc đã sử dụng các máy móc này, cấm bán sẽ ảnh hưởng đến ASML mà không mang lại nhiều lợi ích chiến lược. Bản thân ASML cũng đồng tính với quan điểm mà Hunt đưa ra. Bản thân ASML cũng không muốn lệnh cấm như vậy.

Ngọc Diệp (Theo New York Times)