Nhật Bản khao khát quay lại đỉnh cao ngành bán dẫn với Rapidus và tham vọng chip 2nm

Khi máy tính cá nhân IBM đặt tiêu chuẩn cho điện toán cá nhân và Madonna thống trị các bảng xếp hạng âm nhạc, Nhật Bản từng là người dẫn đầu ngành công nghiệp bán dẫn. Tuy nhiên, sự thống trị của những năm 1980 đó đã phai nhạt dần khi mô hình thiết kế không nhà máy (fabless) và sản xuất đúc (foundry) phát triển.

Giờ đây, Nhật Bản đang chuẩn bị cho màn trở lại đầy ấn tượng: quốc gia này đang tận dụng nhu cầu về sản xuất chip chủ quyền để tái invention lại ngành công nghiệp bán dẫn của mình.

Dẫn đầu cuộc chiến này là Rapidus. Một người mới tương đối trong lĩnh vực foundry, công ty này cho biết họ đang đi đúng hướng để bắt đầu sản xuất hàng loạt tại nhà máy đúc wafer 2nm ở Hokkaido vào nửa sau năm 2027, chỉ 5 năm sau khi thành lập.

Rapidus và công nghệ đóng gói tiên tiến

Foundry non trẻ này đã đạt được tiến bộ đáng kể hướng tới mục tiêu đó. Năm ngoái, nhà máy IIM-1 đã bắt đầu sản xuất thử nghiệm các tấm wafer 300mm dựa trên công nghệ transistor gate-all-around (cổng bao quanh toàn bộ) 2nm.

Tuy nhiên, Rapidus không chỉ đơn thuần là một nhà máy sản xuất wafer. Các bán dẫn hiện đại được lắp ráp từ nhiều die (viên), thường được sản xuất tại các foundry khác nhau sử dụng công nghệ quy trình khác nhau, đòi hỏi phải sử dụng các công nghệ đóng gói tiên tiến để "khâu" chúng lại với nhau.

"Chúng tôi phải giải quyết các thách thức về điện năng, không gian và nhiệt lượng," Stephen DiFranco, người đứng đầu hệ sinh thái đối tác và đội ngũ marketing của Rapidus, chia sẻ với The Register. "Nó sẽ không được giải quyết bằng một thứ duy nhất, nhưng một trong những thứ đó là đóng gói đa chiều thông minh hơn nhiều."

Song song với nhà máy của mình, Rapidus cũng đang phát triển khả năng đóng gói tiên tiến riêng, điều này sẽ giúp họ cạnh tranh với các gã khổng lồ như Samsung, TSMC và Intel. Vào cuối tuần qua, Rapidus tiết lộ rằng đơn vị giải pháp chiplet của họ sẽ bắt đầu hoạt động toàn diện sau sự thành công của lớp trung gian phân phối lại (redistribution layer interposer) kích thước 600mm vuông vào tháng 4 năm ngoái.

Cùng với nhà máy IIM-1, Rapidus cũng đã mở một cơ sở mới để tiến hành phân tích vật lý, môi trường và hóa học trong sự hợp tác với các đối tác.

Chiến lược "từ con số không"

Tốc độ mà startup Nhật Bản này có thể dựng lên doanh nghiệp foundry của mình là đáng chú ý. Không giống như Intel, nơi bắt đầu hành trình foundry chỉ một năm trước đó, Rapidus bắt đầu hoàn toàn từ con số không.

Việc phát triển quy trình mới cho mọi thứ là rất khó, nhưng DiFranco lưu ý rằng điều này cũng có nghĩa là Rapidus không cần phải cân bằng các công nghệ kế thừa (legacy) giống như Intel.

"Chúng tôi có lợi thế của một đội ngũ điều hành cấp cao với nhiều thập kỷ kinh nghiệm, có cơ hội bắt đầu với một tờ giấy trắng," DiFranco nói.

Một cách tiếp cận ba chiều đã giúp Rapidus di chuyển nhanh chóng. Một nhà máy wafer là một trong những cơ sở phức tạp nhất thế giới, với chuỗi cung ứng phức tạp đòi hỏi sự hợp tác chặt chẽ và lập kế hoạch cho tất cả mọi người tham gia.

Vì vậy, ngoài đơn vị sản xuất, Rapidus còn vận hành hai bộ phận khác chịu trách nhiệm đặt nền móng cho doanh nghiệp foundry và làm việc với các đối tác thiết kế của công ty về công nghệ quy trình, để công nghệ, khách hàng và chuỗi cung ứng sẵn sàng vận hành khi nhà máy mở cửa vào năm tới.

Phím tắt từ IBM

Một trong số ít lĩnh vực mà Rapidus không bắt đầu từ con số không là công nghệ quy trình. Đó là vì thay vì tự phát triển, họ đã hợp tác với IBM để thương mại hóa công nghệ quy trình 2nm của Big Blue.

IBM không phải là một foundry. Bạn không thể gõ cửa Arvind Krishna và đặt hàng một số wafer. Tuy nhiên, họ có một truyền thống lâu đời về nghiên cứu bán dẫn và thiết kế quy trình, và tiếp tục làm việc trên những công nghệ đó.

Vào đầu năm 2021, IBM đã trình diễn quy trình 2nm thử nghiệm được phát triển tại phòng thí nghiệm nghiên cứu ở Albany, New York. Lúc đó, công nghệ quy trình 5nm của TSMC vừa mới ra mắt và Intel đang vật lộn để tăng sản xuất quy trình 10nm.

Công nghệ của IBM đánh dấu bước đầu tiên rời bỏ các transistor FinFet mà Intel phổ biến một thập kỷ trước. Thay vào đó, Big Blue cung cấp một loại transistor mới gọi là gate-all-around, sử dụng một cổng bao quanh hoàn toàn nguồn. Kết quả là giảm đáng kể rò rỉ điện năng và cải thiện mật độ transistor, tạo ra một chip hiệu quả hơn nhiều.

Nếu bất kỳ điều nào nghe có vẻ quen thuộc, đó là vì Intel, TSMC và Samsung đều đã áp dụng cách tiếp cận này cho các thiết kế mới nhất của họ.

Chính công nghệ quy trình 2nm của IBM hiện là nền tảng cho cú hích foundry của Rapidus. Sau khi bắt đầu sản xuất thử nghiệm vào năm ngoái, nhà máy này đã phát hành bộ thiết kế quy trình (PDK) sơ bộ cho những người chấp nhận sớm.

Vào thứ Bảy, Rapidus thông báo sẽ phát hành PDK đầy đủ sau này trong năm để khách hàng có đủ thời gian thích ứng thiết kế của họ trước khi nhà máy mở cửa.

Mô hình linh hoạt và không yêu cầu đơn hàng tối thiểu

Với sản xuất hàng loạt được lên kế hoạch vào cuối năm 2027, Rapidus sẽ đến bữa tiệc 2nm một chút muộn.

Theo như chúng tôi hiểu, tất cả các foundry lớn, bao gồm Samsung, đã bắt đầu sản xuất hàng loạt silicon 2nm vào năm ngoái, mặc dù chỉ có Intel và Samsung thực sự giao các chip được xây dựng bằng quy trình 2nm.

Sự chậm trễ rõ ràng của Rapidus có thể không phải là vấn đề lớn như nghe vẻ. Đó là vì chỉ có một số ít muốn sử dụng silicon tiên tiến nhất.

Không hiếm khi các nhà thiết kế chip lớn như Nvidia hoặc AMD triển khai trên các "nút n-1". Tức là, họ chờ một nút mới (n) ra mắt trước khi bắt đầu sản xuất trên nút cũ (n-1).

Lý do cho việc này nằm ở tỷ lệ thành phẩm (yield) và kích thước lô. Người mua đặt chỗ năng lực với các foundry lớn phải cam kết một khối lượng nhất định năng lực của họ. Các nút mới thường có những khó khăn ban đầu dẫn đến tỷ lệ thành phẩm thấp. Điều này làm cho các chip nhỏ hơn, chịu được mất mát nhiều hơn, như những chip dùng trong smartphone cao cấp, trở nên kinh tế hơn so với các chip trung tâm dữ liệu kích thước reticle.

Rapidus hy vọng sẽ tận dụng điều này bằng cách cung cấp năng lực sản xuất 2nm của mình với khối lượng thấp hơn nhiều và nén thời gian chế tạo đáng kể.

"Những gì chúng tôi thấy là nhiều công ty hơn cần khối lượng khiêm tốn hơn cho mỗi dự án," DiFranco nói.

Ý tưởng là cho phép khách hàng lặp lại thiết kế nhanh hơn nhiều và với rủi ro thấp hơn so với việc họ phải cam kết các đơn hàng lớn hơn.

"Trong một nhà máy wafer duy nhất, bạn thực sự nhận được nhiều dữ liệu hơn, bởi vì mỗi wafer cung cấp một mảnh dữ liệu duy nhất," ông giải thích. "Chúng tôi tin rằng điều khiến Rapidus trở nên độc đáo là chúng tôi sẽ có thể cung cấp nhiều dữ liệu hơn trở lại cả các nhà cung cấp công cụ và IP — Synopsys, Cadence và Siemens — nhưng cũng cho chính các nhóm thiết kế."

Tập trung vào năng lực nội địa

Không có điều nào trong số này là rẻ. Các foundry có thể dễ dàng tốn hàng chục tỷ đô la để đưa vào vận hành. Tuy nhiên, Rapidus có chính phủ Nhật Bản đứng về phía mình.

Vào cuối tuần qua, Bộ Công nghiệp Nhật Bản đã phê duyệt thêm 631,5 tỷ yên (khoảng 3,96 tỷ USD) tài trợ để thúc đẩy sự phát triển của foundry Rapidus.

"Có thể là do đại dịch, nhưng tôi nghĩ thậm chí trước đó, đã trở nên khá rõ ràng rằng bán dẫn đang trở thành bộ não của mọi thứ, rằng những người có nhiều sản xuất hơn có thể ở vị thế tốt hơn về địa chính trị," DiFranco nói.

Chúng ta đã thấy những nỗ lực tương tự để củng cố bán dẫn nội địa trên khắp Mỹ, Châu Âu và Trung Quốc sau sự thiếu hụt chip thời đại đại dịch.

Không đơn độc

Rapidus không phải là công ty duy nhất xây dựng các nhà máy tại Nhật Bản. Vào tháng 2, TSMC đã công bố kế hoạch sản xuất hàng loạt chip dựa trên công nghệ quy trình 3nm tại một nhà máy ở Kumamoto.

TSMC đã mở nhà máy Nhật Bản đầu tiên vào năm 2024, nơi họ sản xuất chip trên nhiều nút cũ hoặc trưởng thành hơn. Quyết định này nhấn mạnh nỗ lực chuyển sản xuất chip tiên tiến ra nước ngoài.

Trong năm qua, gã khổng lồ foundry này cũng đã công bố một số nhà máy chip mới tại Mỹ, với nhà máy thứ hai được lên kế hoạch bắt đầu sản xuất chip dựa trên công nghệ quy trình 3nm vào năm tới.