GS. Từ Chấn
Tóm tắt:
Gần đây xuất hiện nhiều tuyên bố rằng một số quốc gia có thể sản xuất chip tiến trình 2nm mà không cần sử dụng hệ thống quang khắc EUV (Extreme Ultraviolet Lithography). Nếu đúng, đây sẽ là một đột phá mang tính cách mạng, bởi EUV đang được xem là điều kiện tiên quyết để sản xuất chip dưới 5nm.
Bài viết này phân tích cơ sở khoa học của tuyên bố trên dưới góc nhìn của định luật Rayleigh, cấu trúc hệ thống quang học DUV/EUV, các công nghệ khắc thay thế (e-beam, nano-imprint, wet-lithography, photolithography với index cao), đồng thời đánh giá lại tương lai của định luật Moore – đặc biệt khi transistor tiến gần tới giới hạn vật lý cỡ nguyên tử.
Cuối cùng, bài viết đặt ra vấn đề chiến lược: Liệu Việt Nam có thể tham gia vào chuỗi giá trị chip tiên tiến, đặc biệt là giai đoạn lithography, transistor thế hệ mới và công nghệ đóng gói tiên tiến?
- Giới thiệu
Lithography luôn là “trái tim” của ngành chế tạo bán dẫn. Khi tiến tới tiến trình 7nm – 5nm – 3nm và đặc biệt là 2nm, thế giới dựa gần như hoàn toàn vào công nghệ EUV của ASML (Hà Lan). Hệ thống EUV giá ~200–350 triệu USD/máy, đặt hàng khó khăn phải chờ đợi theo thứ tự, Sản xuất kéo dài hàng năm, vận chuyển bằng xe chuyên dụng tránh hư hỏng, lắp ráp cần 250 kỹ sư trong 6 tháng, vận hành cực kỳ phức tạp cần nhưng chuyên gia chuyên sâu với tay nghề cao, có hơn 4 tỉ chi tiết máy với độ chính xác cao bén nhạy, những dao động nhỏ có thể ảnh hưởng đến máy và làm máy ngưng hoạt động. Trên thế giới duy nhất chỉ có một hãng độc quyền chế tạo cung cấp thiết bị này .
Vậy làm chip 2nm không dùng EUV có khả thi hay không?
Để trả lời, cần quay lại nguyên lý vật lý cơ bản nhất của quang khắc.
- Cơ sở lý thuyết: Định luật Rayleigh và giới hạn của bước sóng
Độ phân giải nhỏ nhất mà hệ thống lithography có thể tạo ra được mô tả bởi phương trình Rayleigh:
Trong đó:
– CD – Critical Dimension: kích thước nhỏ nhất của đường mạch
– k₁ – hằng số công nghệ (thường ~0.25 – 0.4 đối với EUV)
– λ – bước sóng bức xạ
– NA – numerical aperture (khẩu độ số của hệ quang học)
Nguồn sáng hiện nay:
– DUV ArF: λ = 193 nm
– EUV: λ = 13.5 nm
Với λ = 193 nm, để đạt CD = 2 nm thì theo Rayleigh:
Đây là vô lý về vật lý, bởi:
– Để CD = 2 nm khi k₁ = 0.25 thì NA ≈ 24 – không tưởng về mặt thiết kế quang học
(NA hiện nay ~0.33–0.55).
– Dù dùng kỹ thuật multiple patterning (N× patterning), giới hạn lý thuyết vẫn không
thể “phá luật” Rayleigh.
Do đó, các hệ thống DUV không thể đạt 2nm nếu không có các kỹ thuật bổ trợ hoàn toàn mới hoặc phương pháp khắc phi quang học.
- Có thể thay thế EUV bằng các công nghệ phi truyền thống không?
Có 4 hướng thay thế tiềm năng:
3.1. Electron-beam lithography (E-beam)
Ưu điểm:
– Độ phân giải rất cao (<1 nm)
– Không phụ thuộc bước sóng
Nhược điểm:
– Tốc độ cực chậm
– Không thể dùng cho sản xuất đại trà (mass production)
– Chi phí lớn
Kết luận: Có thể làm chip 2nm trên wafer mẫu (sample), nhưng không thể sản xuất hàng loạt.
3.2. Wet lithography với môi trường có chiết suất cao
Nếu môi trường có chiết suất (n) cao, bước sóng hiệu dụng sẽ giảm:
Giả sử n = 6–8 (lý thuyết cao nhất), λ = 193 nm:
Vẫn không đủ để đạt 2 nm.
Vấn đề lớn nhất:
– Không có vật liệu quang học thực tế có chiết suất n > 2 trong UV sâu.
– Không tồn tại hệ quang học hoàn chỉnh cho môi trường như vậy.
Kết luận: Không khả thi trong sản xuất thực tế.
3.3. Nano-imprint lithography (NIL)
Nhật Bản từng đi đầu trong công nghệ NIL.
Phương pháp này ép trực tiếp khuôn nanomet lên resist.
Ưu điểm:
– Độ phân giải cao
– Không cần EUV
– Thiết bị rẻ hơn rất nhiều so với EUV
Nhược điểm:
– Defect rate cao
– Khó canh chỉnh overlay
– Không phù hợp với tiến trình phức tạp đa lớp của chip logic tiên tiến
Kết luận: Có thể dùng cho vài lớp đơn giản; không thể thay thế toàn bộ EUV cho chip 2nm.
3.4. Advanced multiple patterning (Quad/Octo patterning)
Lý thuyết: dùng DUV 193 nm qua 6–8 lần patterning để đạt hiệu quả như EUV.
Nhược điểm:
– Yield thấp
– Chi phí khổng lồ
– Thiết kế mask phức tạp đến mức gần như “không tưởng”
– Điện trở – điện dung đường dây (RC delay) tăng mạnh
Dựa vào nguồn tin của Huawei 2-3 năm trước đã có apply bản quyền chế tạo chip 2nm bằng công nghệ SAQP hiện nay bản quyền vẫn chưa được chấp thuận nên không thể suy diễn TQ đã làm chủ công nghệ sản xuất được chip 2nm thương phẩm. Chip 2nm cũng có nhiều loại khác nhau tùy theo nhà sản xuât và tuy thuộc vào số lượng transistors có được trên một mm2
- Chip 2nm của TSMC : 250-300M transistors/mm2
- Chip 18A của Intel: 350-400M transistors/mm2
- Chip 2nm của Sam Sung : 220-240M transistors/mm2
- Chip 7nm của SMIC : 60-70M transistors/mm2
- Chip 7nm của TSMC : 90-100M transistors/mm2
Xem ra thì không mua đươc máy EUV TQ cũng còn đang chật vật với công nghệ 7nm và 5nm. Và còn tụt hậu so với các công ty khác như TSMC, Sam Sung và Intel đang chuẩn bị ra mắt những con chip tiên tiến 1.8nm, 1.6nm và 1.4 nm
Kết luận: Đường mạch có thể xuống nhỏ, nhưng chip sẽ không thể hoạt động với hiệu năng mong muốn và không thể cạnh tranh trên thị trường thương phẩm tạo ra được lợi nhuận.
- Định luật Moore đang chạm tới giới hạn vật lý
Khi transistor tiến tới kích thước cỡ nhỏ hơn 1 nm, vật lý lượng tử sẽ chi phối, dẫn tới:
– Tunnel effect tăng -> rò điện
– Không còn “cổng” điều khiển chính xác
– Tỉ lệ tỏa nhiệt tăng phi tuyến
– Tuổi thọ chip giảm
Do đó, transistor truyền thống (FinFET) sẽ phải chuyển sang:
– RibbonFET / Gate-all-around (GAAFET)
– CFET (stacked transistor)
– 3D logic stacking (monolithic 3D)
Đây là xu hướng bắt buộc khi thu nhỏ transistor không thể tiếp tục mãi theo định luât Moore được.
- Nút thắt lớn nhất của chip tương lai: TẢN NHIỆT
Khi tăng mật độ transistor trên cùng một diện tích và tăng xử lý song song (parallel processing):
– Điện năng tiêu thụ tăng
– Nhiệt độ tăng cao
– Hiệu suất giảm mạnh khi quá nóng
– Tuổi thọ chip bị rút ngắn
Do đó, công nghệ tản nhiệt cấp độ chip (on-chip heat dissipation) trở thành “cổ chai” của ngành bán dẫn trong 20 năm tới.
Giải quyết được vấn đề tản nhiệt → chip AI quy mô lớn (tản nhiệt cho hàng ngàn nhân AI) mới trở thành hiện thực.
- Đóng gói tiên tiến – Hướng đi khả thi thay cho EUV
Trong bối cảnh lithography chạm trần kỹ thuật, các tập đoàn lớn đang đầu tư vào:
– 2.5D/3D advanced packaging
– Chiplet architecture
– Hybrid bonding
– TSV, SoIC, CoWoS, Foveros
Advanced packaging Technology có thể tăng hiệu năng gấp 3–10 lần mà không cần thu nhỏ transistor. Advanced packaging Technology có thể chế tạo chiplet (4X-7nm) với system performance ngang ngửa với TSMC chiplet (1X 2nm)
Do đó, có thể khẳng định: “Advanced packaging sẽ là giải pháp công nghệ cho nền công nghiệp bán dẫn trong tương lai.”
- Vậy: Việt Nam có thể tham gia được phần nào?
Dựa trên phân tích khoa học ở trên, câu trả lời:
7.1. Việt Nam không thể làm chip 2nm đầy đủ trong 10–20 năm tới
Lý do:
– Không có EUV
– Không có industry ecosystem
– Không có vật liệu – thiết bị – nhân lực R&D đáp ứng
– Không có supply chain photomask, resist, gas, metrology
– Không đáp ứng được yêu cầu hạ tầng
– Cần nguồn đầu tư tài chính cực lớn …!!!
Đây là thực tế khách quan.
7.2. Nhưng Việt Nam có thể tham gia 4 hướng dưới đây:
(1) Backend Advanced packaging: công nghệ CoWoS và CoWoDS Hoàn toàn khả thi
– Không cần đầu tư lớn
– Không cần EUV
– Không cần đào tạo chuyên sâu như công đoạn đúc chip (frontend)
– Phù hợp năng lực doanh nghiệp Việt Nam
– Phù hợp với nguồn nhân lực trẻ năng độngViệt Nam
– Chi phí thấp
– Nhu cầu toàn cầu tăng mạnh (chip AI, chiplet)
– Đang là “điểm yếu nhất” của thế giới → cơ hội lớn
(2) Thiết kế chip (fabless)
– Tận dụng nguồn nhân lực trẻ
– Không cần nhà máy lớn và thiết bị đắt tiền
– Triển khai nhanh
– Phù hợp chiến lược quốc gia
– Có thể làm chip AI, IoT, RF, analog
(3) Công nghệ III-V compound semiconductor Materials – vật liệu bán dẫn thế hệ mới
– Nano plasma
– Nano particles Thin-film deposition
– Photonics material, devices, modules, subsystem and system
– III-V compound semiconductor Materials (vật liệu bán dẫn thế hệ mới )
Đây là lĩnh vực Việt Nam có thể đón đầu khoa học, tạo công nghệ gốc.
(4) Công nghệ đặc thù chuyên dụng:
– Viễn thông không dây (wireless communication)
– Viễn thông không gian (space communication)
– Vật liệu và Chip lượng tử ( Quantum materials and devices )
– Vật liệu và Chip tương tích sinh học (Materials and devices biocompatible )
– Cảm biến hồng ngoại ( Infar Red sensors )
– Công nghệ ký thuật số trong mã hóa và giải mã thông tin trong viễn thông không
– Dây và viễn thông không gian ( Digital encoding and decoding in wireless and space communication )
- Kết luận:
Tuyên bố sản xuất chip 2nm mà không dùng EUV là không phù hợp với giới hạn vật lý của quang học hiện đại, trừ phi có một đột phá hoàn toàn mới về lithography hoặc vật liệu lượng tử mới.
Trong bối cảnh thế giới bước vào kỷ nguyên hậu-định luật Moore:
– Tản nhiệt trở thành vấn đề lớn nhất
– Đóng gói tiên tiến trở thành chìa khóa
– Chiplet trở thành chuẩn mới
– Transistor tiến tới giới hạn nguyên tử
Việt Nam không thể chạy đua lithography, nhưng có thể chọn chiến lược thông minh:
– Thiết kế chip
– Đóng gói tiên tiến
– Vật liệu nano plasma
– R&D vật liệu mới
– Công nghệ tản nhiệt
– Đào tạo nhân lực bán dẫn
Điều quan trọng nhất là xây dựng hệ sinh thái 3 nhà:
- Nhà Nước
- Nhà trường
- Nhà doanh nghiệp
Kết hợp nghiên cứu – đào tạo – Sở hữu trí tuệ – Ươm tạo và Chuyển giao công nghệ cho doanh nghiệp như nước Nhật sau thế chiến thứ 2, nước Đài Loan năm 1970-1980, nước Hàn Quốc năm 1990 và nước TQ năm 2000 từng bước hình thành nền công nghiệp Bán Dẫn nội sinh làm ra những sản phẩm chủ lực có hiệu quả kinh tế cao tham gia vào chỗi cung ứng toàn cầu vươn mình từ nền KT Nông Nghiệp sang nền KT công nghiệp công nghệ cao sánh vai với các nước tiên tiến trong hệ sinh thái bán dẫn toàn cầu