Theo hiệp hội ngành công nghiệp SEMI, Hoa Kỳ là nơi sản sinh ra silicon tiên tiến, nhưng trong nhiều thập kỷ, nước này đang mất thị phần vào tay châu Á, nơi chiếm 79% sản lượng chip của thế giới vào năm 2020. Hiệp hội tính toán rằng Hoa Kỳ chịu trách nhiệm cho 12% sản lượng chip trên toàn thế giới vào năm ngoái, giảm từ 37% vào năm 1990.
Chỉ riêng TSMC đã chịu trách nhiệm về 24% sản lượng chất bán dẫn của thế giới vào năm 2020, tăng từ 21% vào năm 2019, theo công ty. Theo nhóm nghiên cứu Capital Economics, khi nói đến chip tiên tiến nhất được sử dụng trong iPhone, siêu máy tính và AI ô tô mới nhất, TSMC chịu trách nhiệm sản xuất 92% trong khi Samsung chịu trách nhiệm 8% còn lại, theo nhóm nghiên cứu Capital Economics.
“Họ (TSMC) gần như trở thành độc quyền ở vị trí dẫn đầu và tất cả các hoạt động sản xuất đó, phần lớn, đều nằm ngoài Đài Loan, Tân Trúc. Điều đó trở thành một vấn đề có tầm quan trọng quốc gia đối với Hoa Kỳ, không chỉ Hoa Kỳ mà còn cả thế giới phương Tây", Christopher Rolland, nhà phân tích bán dẫn cấp cao của Susquehanna cho biết.
Cùng với chip 3 và 5 nanomet tiên tiến, TSMC còn sản xuất chip lớn hơn cho các sản phẩm như bàn chải đánh răng điện và máy pha cà phê. Xe hơi thường sử dụng chip 28 đến 40 nanomet kém tiên tiến hơn. Tất cả các loại chip đều đã bị ảnh hưởng bởi sự thiếu hụt nguồn cung. Các nhà sản xuất ô tô bao gồm GM và Toyota đã tạm dừng sản xuất tại một số nhà máy. Và Apple có khả năng cắt giảm mục tiêu sản xuất năm 2021 cho iPhone 13, với đơn đặt hàng một số mẫu bị trì hoãn hơn một tháng.
Khi Morris Chang lần đầu tiên đề xuất ý tưởng cho TSMC vào những năm 1980, các nhà đầu tư đã nghi ngờ. Sinh ra ở Trung Quốc và học tại Harvard, MIT và Stanford, Chang chuyển đến Đài Loan sau 25 năm làm việc tại Texas Instruments. Tại đó, chính phủ yêu cầu ông thành lập một công ty bán dẫn Đài Loan có thể trở thành công ty hàng đầu thế giới. Ý tưởng của anh ấy là: Chỉ tập trung vào sản xuất - cái mà ngày nay được gọi là xưởng đúc thuần túy.
“Khi bạn chỉ tập trung vào một việc, bạn sẽ làm tốt một việc,” Cassidy, người đã gia nhập TSMC cách đây 23 năm, nói sau những gì anh ấy mô tả là cuộc gặp gỡ kéo dài hàng giờ đồng hồ hấp dẫn với Chang.
Chang đặt cược lớn vào một nhu cầu chưa tồn tại. Khi ông thành lập TSMC vào năm 1987, những gã khổng lồ như Intel và Texas Instruments đã tự hào về việc thiết kế và sản xuất chip của riêng họ. Một câu nói huyền thoại trong ngành công nghiệp thời đó là "Đàn ông đích thực có tài".
“Khi Morris ra ngoài để xin tài trợ, anh ấy đã đến nhiều công ty có tên mà bạn biết, và họ nói với họ,‘ Morris, ý tưởng của bạn sẽ không thành công đâu. Nếu bạn không phát huy tác dụng, nó sẽ không thể mở rộng quy mô. ”
Nhưng khi chip ngày càng phức tạp, việc sản xuất chúng trở thành một công việc to lớn. Các nhà phân tích nói rằng việc xây dựng một khu đô thị ngày nay mất ít nhất hai năm và 10 tỷ đô la. Gần như không thể đối với ngay cả những công ty chip lớn nhất - Intel, Nvidia, Broadcom, Qualcomm, AMD - làm tất cả và theo kịp công nghệ tiên tiến nhất. Chẳng hạn như Intel vẫn thiết kế và sản xuất chip của riêng mình, nhưng họ đã bị tụt lại phía sau Samsung và TSMC trong những năm gần đây và hiện phụ thuộc vào TSMC để sản xuất một số chip của mình.
Rolland nói: “Nếu bạn là một nhà thiết kế thông minh, lần đầu tiên bạn không cần phải có hàng tỷ đô la và sự hỗ trợ đằng sau khi có sự xuất hiện của TSMC.
Giờ đây, mỗi bước chính của sản xuất chip thường do một công ty riêng đảm nhận. Một số, chẳng hạn như Arm và MIPS, tập trung vào IP và kiến trúc, cung cấp các khối xây dựng cốt lõi để thiết kế chip. Sau đó, có các công ty tự động hóa thiết kế điện tử như Cadence và Synopsys viết phần mềm được sử dụng để thiết kế chip. Chỉ có một công ty, ASML, chế tạo máy phát tia cực tím trị giá 180 triệu đô la cần thiết để khắc các thiết kế thành những con chip tiên tiến nhất. Sau đó, có những công ty vô cùng thành công trong việc thiết kế chip, chẳng hạn như Apple, Qualcomm, Nvidia và nhiều công ty khác.
Khi những công ty nổi tiếng này thành công, TSMC nhận thấy mình đang trên đà sản xuất ngày càng nhiều chip của thế giới.
“Điều này đã cho phép [TSMC] không chỉ bắt kịp mà theo quan điểm của tôi, vượt qua Intel, để trở thành công nghệ sản xuất vĩ đại nhất thế giới trên hành tinh,” Rolland nói, “một trong 10 công ty có giá trị nhất về vốn hóa thị trường trên toàn cầu”.
TSMC lần đầu tiên được niêm yết trên Sở Giao dịch Chứng khoán Đài Loan vào năm 1994, và vào năm 1997, nó trở thành công ty có trụ sở tại Đài Loan đầu tiên được niêm yết trên Sở Giao dịch Chứng khoán New York. Đến những năm 2000, nó đã bắt kịp khoảng 20 công ty khác sản xuất chip tiên tiến nhất vào thời điểm đó. Khi công nghệ tiếp tục phát triển, ngày càng có nhiều công ty tụt lại phía sau. Ngày nay, chỉ còn lại hai nhà sản xuất có thể tạo ra chip 5 nanomet tiên tiến nhất: TSMC và Samsung.
Vào năm 2013, Apple bắt đầu dựa vào TSMC để sản xuất chip A-series của mình cho iPhone khi họ không phụ thuộc vào Samsung, một đối thủ cạnh tranh trực tiếp trong lĩnh vực điện thoại di động. Ngày nay, có một chip TSMC bên trong mỗi iPhone trên thị trường. Và Apple cũng đã rời bỏ Intel, giờ đây đang dựa vào TSMC để sản xuất chip bên trong hầu hết các máy Mac.
Năm 2018, ở tuổi 86, ông Chang nghỉ hưu với tư cách là Chủ tịch TSMC. Ý tưởng đúc hoàn toàn thuần túy của ông tiếp tục thành công. Với việc khai trương nhà máy mới ở Đài Loan vào năm tới, TSMC đang trong cuộc đua với Samsung để tạo ra chip 3 nanomet đầu tiên trên thế giới - với kế hoạch của Intel sẽ đạt được điều đó vào năm 2025.
Mang công nghệ sản xuất chip 5 nanomet đến Hoa Kỳ
Hiện tại, không hãng nào ở Mỹ có thể tạo ra chip 5 nanomet. Nhưng TSMC đang thay đổi điều đó. “Nếu bạn muốn có công suất lớn hơn, bạn phải xây dựng nhiều fab hơn. Và đó là một trong những lý do mà chúng tôi chuyển đến Hoa Kỳ", Cassidy nói. "Khách hàng của chúng tôi muốn chúng tôi ở Hoa Kỳ. Chính phủ Hoa Kỳ muốn chúng tôi ở đây".
Giám đốc kỹ thuật TSMC Tony Chen đã đưa các phóng viên đi tham quan địa điểm nơi đang xây dựng một ngôi nhà rộng 4 tầng, rộng 2,3 triệu foot vuông. Chen đã lãnh đạo 17 dự án xây dựng fab khác trong 23 năm của mình với TSMC.
“Dự án này được thiết kế như một fab 5 nanomet. Trên thực tế, đó là một bản sao từ các fab mà chúng tôi có ở Đài Loan”, Chen nói.
Gần đó, một trong những cần cẩu lớn nhất thế giới đang được nâng lên đến độ cao tối đa 200 feet. Cần cẩu 2.300 tấn được đưa đến hiện trường trên 153 xe tải. Giám sát công trường Jim White cho biết các nhà thầu đã di chuyển gần 4 triệu mét khối chất bẩn và đã sử dụng hơn 260 triệu gallon nước kể từ khi công trình bắt đầu vào tháng Tư.
Việc xây dựng một lò nung và sản xuất chip cần một lượng nước đáng kinh ngạc, chứ không phải là một nguồn tài nguyên dồi dào ở giữa sa mạc. Nguồn nước lớn nhất của Arizona là nước ngầm, nhưng các giếng sâu tại các trang trại lớn đang sử dụng hết nước nhanh hơn lượng nước được bổ sung tự nhiên. Chen cho biết TSMC cần khoảng 4,7 triệu gallon nước mỗi ngày để hỗ trợ sản xuất.
TSMC không còn xa lạ với tình trạng thiếu nước. Đài Loan đang đối mặt với hạn hán tồi tệ nhất trong 56 năm, điều mà TSMC cho biết không ảnh hưởng đến sản xuất. Tại Arizona, TSMC cho biết, một trung tâm xử lý nước tại chỗ sẽ tái chế tới 90% lượng nước được sử dụng tại fab.
Chris Camacho, chủ tịch và giám đốc điều hành của Greater Phoenix Economic Council cho biết: “Và cuối cùng, lượng nước đó sẽ được bơm lại vào tầng chứa nước với sự hợp tác của thành phố Phoenix sau khi thẩm thấu ngược và các giải pháp công nghệ khác được cung cấp. Ông đã giúp thương lượng thỏa thuận đưa dự án đến Arizona.
Một thách thức khác là hầu hết các chuyên gia 5 nanomet đều có trụ sở tại Châu Á. Để giải quyết vấn đề này, giám đốc quan hệ học thuật của TSMC, Roxanna Vega, cho biết công ty đang đưa một số chuyên gia hàng đầu đến từ Đài Loan.
Vega nói: “Họ được xem là những chuyên gia về chủ đề về những gì họ làm trong các chương trình của chúng tôi ở đó. "Đó sẽ là một nhiệm vụ tạm thời ... hai, có thể là ba năm."
Công nhân TSMC đi trong hành lang trong xưởng sản xuất chip ở Đài Loan
TSMC cho biết họ đã gửi hơn 250 nhân viên mới của họ từ Đài Loan sang Hoa Kỳ trong 12 đến 18 tháng để bắt kịp tiến độ.
“Cơ hội được đào tạo trong gigafab 5 nanomet của chúng tôi ở Đài Loan là để cung cấp cho họ cái nhìn sâu sắc về mức độ to lớn và hiện đại của các công cụ, máy móc và mọi thứ sẽ ở đây ở Arizona,” Vega nói.
Đa dạng hóa là lý do chính để TSMC đưa ngành sản xuất tiên tiến sang Hoa Kỳ.
Rolland nói: “Đài Loan không giỏi lắm khi nói đến thiết kế bán dẫn tương tự và bằng cách chuyển đến Hoa Kỳ, bạn sẽ có thể tiếp cận với số lượng lớn hơn nhiều nhà thiết kế tương tự.
Hầu hết 12 trung tâm của TSMC đều ở Đài Loan và Trung Quốc, khiến thế giới dễ bị ảnh hưởng bởi thiên tai, bao gồm hạn hán hiện tại ở đó hoặc căng thẳng địa chính trị trong khu vực. Tuy nhiên, một số chuyên gia gọi TSMC là “lá chắn silicon” của Đài Loan trong mối quan hệ căng thẳng với Trung Quốc.
“Các phương tiện truyền thông đã vẽ ra một bức tranh rất ảm đạm về tình hình này,” Rolland nói, “nhưng tôi thực sự lạc quan hơn nhiều - một phần vì ý tưởng này [về] lá chắn bán dẫn, vì mối quan hệ đôi bên cùng có lợi này giữa đại lục và Đài Loan chinh no. Hiện tại, Trung Quốc đang cần chúng cho ngành sản xuất tiên tiến hàng đầu của họ ”.
Hoa Kỳ cũng phụ thuộc rất nhiều vào các chip đến từ Đài Loan - một lý do chính khiến chính phủ làm việc chăm chỉ để thuyết phục TSMC đưa công nghệ của mình vào đây.
“Arizona có một số chương trình, bao gồm tín dụng thuế Cơ sở đủ điều kiện và tín dụng thuế Việc làm chất lượng, đó thực sự là một động lực để giúp giảm chi phí hoạt động,” Camacho nói. “Ngoài ra, thành phố Phoenix còn đưa ra gói cơ sở hạ tầng trị giá 200 triệu đô la giúp TSMC tiếp cận nguồn nước và cơ sở hạ tầng bổ sung cần thiết.”
Chính quyền của ông Biden đã đề xuất trợ cấp 52 tỷ USD cho các công ty chip như TSMC để sản xuất trên đất Mỹ.
Các báo cáo trong ngành ước tính khoản đầu tư 50 tỷ đô la từ chính phủ Hoa Kỳ sẽ cho phép xây dựng 19 nhà máy ở Hoa Kỳ trong 10 năm tới, tăng gấp đôi hiệu quả năng lực sản xuất chip trong nước.
Khi tình trạng thiếu hụt tiếp tục diễn ra, các khoản đầu tư tương tự đang diễn ra trên khắp thế giới. Hiệp hội ngành công nghiệp SEMI dự án 72 dự án mới hoặc mở rộng lớn sẽ được đưa vào hoạt động vào năm 2024 - 10 trong số đó đặt tại Bắc và Nam Mỹ.
“Tôi đã nghe nhiều thông báo về các khoản đầu tư hơn trong hai, ba năm qua so với toàn bộ cuộc đời mình,” Chủ tịch kiêm Giám đốc điều hành SEMI Ajit Manocha cho biết. "Và dựa trên đó, chúng tôi cảm thấy rằng vào cuối năm tới, chúng tôi sẽ bắt đầu thấy sự giảm bớt về sự thiếu hụt chip."
Cho đến lúc đó, khi nhu cầu tiếp tục tăng cao, TSMC đang tăng giá chip lên tới 20%, theo báo cáo của The Wall Street Journal. Giá đồ điện tử có thể giảm xuống cho người tiêu dùng. TSMC cũng đang tiếp tục tăng cường năng lực sản xuất, bao gồm cả ở Hoa Kỳ, nơi mà khu vực Arizona rộng 1.100 mẫu Anh chắc chắn có chỗ cho giai đoạn thứ hai.