Cuộc đua sản xuất chip tiên tiến đang bước sang một giai đoạn mới khi TSMC và Samsung Electronics cùng tăng tốc hợp tác với ASML – nhà sản xuất thiết bị quang khắc duy nhất hiện nay có khả năng cung cấp hệ thống EUV tiên tiến ở quy mô công nghiệp.
Trọng tâm của bước tiến mới là High Numerical Aperture (High-NA) EUV, công nghệ quang khắc thế hệ tiếp theo có khả năng tạo ra các cấu trúc mạch nhỏ hơn trên wafer silicon.
Động lực phía sau khoản đầu tư khổng lồ này là sự bùng nổ của AI và trung tâm dữ liệu, nơi các bộ xử lý ngày càng lớn, phức tạp và đòi hỏi mật độ transistor cao hơn.
Theo ASML, TSMC dự kiến bắt đầu đưa High-NA EUV vào sản xuất hàng loạt các tiến trình tiên tiến từ năm 2030, trong khi Samsung đặt mục tiêu sử dụng công nghệ này trong sản xuất DRAM tiên tiến từ năm 2028.
High-NA EUV: bước tiến quan trọng sau EUV
EUV – viết tắt của Extreme Ultraviolet – sử dụng ánh sáng cực tím với bước sóng 13,5 nanomet để tạo các hoa văn mạch điện cực nhỏ trên wafer.
High-NA EUV nâng khẩu độ số (Numerical Aperture - NA) của hệ thống quang học từ 0,33 trên các máy EUV hiện nay lên khoảng 0,55.
Về cơ bản, NA càng cao thì hệ thống càng có khả năng phân giải các chi tiết nhỏ hơn. Điều này cho phép nhà sản xuất tiếp tục thu nhỏ transistor mà không phải phụ thuộc quá nhiều vào các kỹ thuật multi-patterning – tức phải phơi sáng một lớp nhiều lần để tạo ra cấu trúc phức tạp.
Đối với các tiến trình tiên tiến phục vụ AI, lợi ích này đặc biệt quan trọng khi số lượng transistor tiếp tục tăng và thiết kế chip ngày càng lớn.
Tuy nhiên, High-NA EUV cũng tạo ra một vấn đề mới: kích thước vùng phơi sáng và photomask.
Từ photomask 6 inch lên 12 inch
Một photomask có thể được hiểu như “bản thiết kế” cực kỳ chính xác của một lớp mạch. Trong quá trình quang khắc, hệ thống EUV chiếu ánh sáng qua các cấu trúc trên mask để chuyển hình ảnh mạch xuống wafer.
Trong nhiều thập kỷ, ngành bán dẫn chủ yếu sử dụng photomask 6 inch.
Nhưng High-NA EUV sử dụng hệ thống quang học khác biệt, khiến vùng phơi sáng hiệu dụng nhỏ hơn. Với những chip rất lớn, đặc biệt là các bộ xử lý AI và chip trung tâm dữ liệu, nhà sản xuất có thể phải chia thiết kế thành nhiều khu vực rồi ghép chúng lại bằng kỹ thuật stitching.
Điều này làm tăng độ phức tạp của thiết kế và quy trình sản xuất, đồng thời có thể ảnh hưởng đến năng suất và tỷ lệ chip đạt chuẩn.
Giải pháp mà ASML và các đối tác đang hướng tới là phát triển photomask 12 inch, lớn gấp đôi đường kính so với chuẩn hiện nay.
TSMC và ASML đã thành lập một sáng kiến hợp tác công nghiệp nhằm thúc đẩy quá trình chuyển đổi này. Mục tiêu là xây dựng dây chuyền thử nghiệm photomask 12 inch vào năm 2031, sau đó hướng tới khả năng đưa hệ thống High-NA EUV sử dụng mask kích thước lớn vào sản xuất các tiến trình tiên tiến từ năm 2033.
Theo ASML, việc chuyển sang mask lớn hơn có thể giúp tăng năng suất nhà máy, giảm chi phí sản xuất và hạn chế những vấn đề liên quan đến stitching.
TSMC: High-NA EUV từ năm 2030
TSMC từng thận trọng với High-NA EUV do chi phí rất cao và câu hỏi về hiệu quả kinh tế so với EUV thế hệ hiện tại.
Tuy nhiên, sự phát triển nhanh chóng của chip AI đang thay đổi bài toán này.
TSMC cho biết hãng dự kiến sử dụng công nghệ High-NA EUV trong sản xuất hàng loạt các tiến trình tiên tiến từ năm 2030.
Công ty cũng dự báo số lớp trên chip cần sử dụng High-NA EUV sẽ tăng lên khi kiến trúc transistor ngày càng phức tạp, đặc biệt đối với các thiết kế phục vụ AI.
Đây là bước đi đáng chú ý bởi TSMC hiện là nhà sản xuất chip theo hợp đồng lớn nhất thế giới và đang sản xuất phần lớn các bộ xử lý AI tiên tiến cho các khách hàng công nghệ hàng đầu.
Nhu cầu AI tăng mạnh cũng khiến TSMC phải mở rộng nhanh năng lực sản xuất. Công ty cho biết nhu cầu thiết bị sản xuất chip đã tăng gần gấp đôi trong vòng sáu tháng, trong khi kế hoạch đầu tư vốn năm 2026 được nâng lên khoảng 60-64 tỷ USD.
Samsung đi trước trong lĩnh vực DRAM
Trong khi TSMC tập trung vào logic chip và các bộ xử lý AI, Samsung đang sử dụng High-NA EUV như một công cụ để củng cố vị thế trong bộ nhớ DRAM, đặc biệt là các thế hệ bộ nhớ phục vụ AI.
Samsung ngày 8/9 cho biết hãng sẽ đưa High-NA EUV vào sản xuất hàng loạt DRAM tiên tiến vào năm 2028, điều mà công ty mô tả là lần đầu tiên công nghệ này được áp dụng ở quy mô sản xuất hàng loạt trong ngành bộ nhớ.
Đây là bước đi có ý nghĩa lớn trong cuộc cạnh tranh HBM – loại bộ nhớ băng thông cao đang trở thành một trong những linh kiện quan trọng nhất của hệ thống AI.
Khi các GPU và bộ xử lý AI ngày càng mạnh, nhu cầu về HBM dung lượng lớn và tốc độ cao cũng tăng mạnh. Do đó, lợi thế về công nghệ sản xuất DRAM có thể trở thành một yếu tố quan trọng không kém bản thân thiết kế HBM.
Samsung cũng tham gia sáng kiến phát triển photomask 12 inch do ASML dẫn dắt, qua đó đóng góp kinh nghiệm của hãng ở cả hai lĩnh vực bộ nhớ và foundry vào quá trình xây dựng tiêu chuẩn sản xuất mới.
ASML trở thành “nút thắt” chiến lược của kỷ nguyên AI
Cuộc đua High-NA EUV một lần nữa cho thấy vị trí đặc biệt của ASML trong chuỗi cung ứng bán dẫn toàn cầu.
ASML là doanh nghiệp duy nhất hiện nay sản xuất được hệ thống quang khắc EUV thương mại. Các hệ thống này có giá trị rất lớn và đóng vai trò thiết yếu trong việc sản xuất những chip tiên tiến nhất.
Nếu EUV thế hệ hiện tại đã trở thành công cụ không thể thiếu đối với các tiến trình tiên tiến, High-NA EUV được kỳ vọng sẽ đóng vai trò quan trọng hơn nữa khi ngành bán dẫn tiến sâu vào các thế hệ công nghệ dưới 2 nm.
ASML cho biết đầu tư liên quan đến AI đang tiếp tục thúc đẩy nhu cầu đối với chip logic và bộ nhớ tiên tiến. Công ty vì thế cũng đang mở rộng công suất sản xuất EUV thế hệ hiện tại để đáp ứng nhu cầu của khách hàng.
Đáng chú ý, ASML không chỉ bán thiết bị mà đang ngày càng tham gia sâu vào quá trình đồng phát triển công nghệ với khách hàng.
Trong sáng kiến mới, ngoài TSMC và Samsung, Intel, Nvidia và nhiều doanh nghiệp trong hệ sinh thái bán dẫn cũng được kỳ vọng tham gia phát triển nền tảng photomask kích thước lớn.
Điều này phản ánh một thực tế mới: để sản xuất chip AI thế hệ tiếp theo, không một doanh nghiệp nào có thể tự mình giải quyết toàn bộ các vấn đề công nghệ.
Cuộc đua không còn chỉ là “ai có máy EUV”
Trong giai đoạn trước, lợi thế cạnh tranh chủ yếu nằm ở việc ai có thể tiếp cận sớm các hệ thống EUV và đưa chúng vào sản xuất với tỷ lệ thành phẩm cao.
Với High-NA EUV, bài toán đã trở nên phức tạp hơn.
Các nhà sản xuất phải đồng thời giải quyết photomask, vật liệu quang khắc, thiết bị đo kiểm, thiết kế chip, quy trình sản xuất, năng suất fab và tỷ lệ thành phẩm.
Đặc biệt, việc phát triển photomask 12 inch cho thấy chính ASML cũng cần hợp tác sâu hơn với các nhà sản xuất chip và nhà cung cấp trong chuỗi giá trị.
ASML đặt mục tiêu trình diễn dây chuyền thử nghiệm sử dụng mask lớn vào khoảng 2031 và hướng tới đưa công nghệ này vào sản xuất hàng loạt khoảng 2033. Công ty ước tính việc chuyển sang mask lớn có thể giúp tăng năng suất hệ thống khoảng 40% khi công nghệ trưởng thành.
Như vậy, lộ trình High-NA EUV có thể hình dung theo hai giai đoạn.
Giai đoạn đầu, các nhà sản xuất sử dụng High-NA EUV với photomask 6 inch hiện tại, tập trung vào những lớp mạch mà lợi ích về độ phân giải đủ lớn để bù đắp chi phí.
Giai đoạn tiếp theo, photomask 12 inch sẽ giúp khai thác đầy đủ hơn năng lực của High-NA EUV, đặc biệt đối với những chip AI có kích thước rất lớn.
AI đang thay đổi cả kiến trúc ngành bán dẫn
Điểm đáng chú ý nhất của bước chuyển này là AI không chỉ làm tăng số lượng chip được sản xuất.
AI đang thay đổi bản thân công nghệ sản xuất chip.
Các bộ xử lý AI ngày càng lớn, số lượng transistor ngày càng cao và yêu cầu về băng thông, điện năng cũng ngày càng khắt khe. Điều đó buộc các nhà sản xuất phải tìm cách tăng mật độ transistor nhưng đồng thời giảm số bước sản xuất, nâng tỷ lệ thành phẩm và kiểm soát chi phí.
High-NA EUV là một trong những câu trả lời cho bài toán đó.
Cuộc đua hiện nay vì thế không còn đơn giản là TSMC so với Samsung hay Intel. Đó là cuộc đua của toàn bộ hệ sinh thái, từ ASML và các nhà sản xuất thiết bị, nhà cung cấp photomask và vật liệu, các công ty thiết kế chip như Nvidia, cho tới những nhà sản xuất wafer và bộ nhớ.
Cơ hội và thách thức đối với chuỗi cung ứng châu Á
Sự xuất hiện của High-NA EUV cũng sẽ tạo ra một lớp cơ hội mới cho ngành công nghiệp phụ trợ bán dẫn.
Khi các nhà máy tiên tiến được xây dựng và nâng cấp tại Đài Loan, Hàn Quốc, Mỹ và các trung tâm sản xuất khác, nhu cầu đối với thiết bị chính xác, vật liệu bán dẫn, hóa chất tinh khiết, linh kiện cơ khí chính xác, hệ thống tự động hóa, kiểm tra - đo lường và dịch vụ kỹ thuật sẽ tiếp tục tăng.
Đối với Việt Nam, đây là một xu hướng đáng theo dõi khi các tập đoàn bán dẫn toàn cầu đang mở rộng mạng lưới sản xuất tại châu Á và đa dạng hóa chuỗi cung ứng.
Cơ hội thực tế trước mắt không nhất thiết nằm ở việc Việt Nam tham gia trực tiếp vào sản xuất máy EUV – một lĩnh vực có rào cản công nghệ cực kỳ cao – mà ở việc phát triển hệ sinh thái doanh nghiệp cung ứng cấp 2, cấp 3 cho các nhà máy bán dẫn, từ linh kiện chính xác, điện tử công nghiệp, tự động hóa, vật liệu, đóng gói - kiểm thử đến các dịch vụ kỹ thuật.
Cuộc đua High-NA EUV vì thế không chỉ là câu chuyện về một cỗ máy trị giá hàng trăm triệu USD. Nó đang mở ra một thế hệ mới của chuỗi cung ứng bán dẫn, nơi năng lực phối hợp giữa nhà sản xuất chip, nhà cung cấp thiết bị và mạng lưới doanh nghiệp phụ trợ sẽ quyết định khả năng thương mại hóa những công nghệ AI tiên tiến nhất.