Chi phí xây dựng khổng lồ cùng vô vàn các thiết bị tinh vi, phức tạp trong nhà máy sản xuất chip của Intel là lý do cuộc khủng hoảng chip hiện nay không dễ dàng kết thúc.

Những con chip nhỏ xíu đang đóng vai trò quan trọng trong hệ thống kinh tế hiện đại ngày nay, xuất hiện trong nhiều thiết bị từ máy tính, điện thoại, ô tô đến đồ gia dụng và các thiết bị điện tử khác. Vấn đề thiếu hụt chip gần đây đã tạo ra cuộc khủng hoảng toàn cầu đáng chú ý.

Hình ảnh: Bên trong pháo đài sản xuất chip của Intel, với chi phí hàng tỷ USD xây dựng và tiêu thụ 50 triệu lít nước mỗi ngày.

Việc giải quyết cơn khát chip này sẽ không thể dễ dàng trong thời gian ngắn nếu chỉ hy vọng vào việc xây dựng thêm các nhà máy mới. Để sản xuất hàng tỷ bóng bán dẫn nhỏ hơn cả sợi tóc người và nhồi nhét chúng vào các con chip thông dụng, cần đến những nhà máy khổng lồ với sàn sản xuất siêu sạch có thể cao đến 7 tầng và chiều dài bằng 4 sân bóng đá.

The Intel giant is planning to invest 20 billion USD in building 2 chip manufacturing plants within its complex in Chandler, Arizona with the aim of easing the global chip shortage. The projects are expected to take up to 3 years to complete.

Tại sao sản xuất các con chip nhỏ được coi là hoạt động tốn kém và đòi hỏi cấp đầu tư lớn? Hãy thăm các nhà máy sản xuất chip của Intel tại Arizona và Oregon để có cái nhìn sâu hơn về vấn đề này.

Những con chip được sản xuất như thế nào?

Để đáp ứng những tiến bộ công nghệ hàng năm, các nhà sản xuất chip phải liên tục nâng cao hiệu suất bằng cách tích hợp nhiều bóng bán dẫn hơn vào miếng silicon có kích thước ngày càng nhỏ. Điều này dẫn đến việc các nhà máy sản xuất chip phải đầu tư hàng tỷ USD và ít hơn các nhà sản xuất chip từ bỏ theo đuổi công nghệ mới.

Trong pháo đài sản xuất chip của Intel có chi tiêu hàng tỷ USD cho xây dựng và tiêu thụ khoảng 50 triệu lít nước mỗi ngày. Điều đó không chỉ đòi hỏi sự đầu tư lớn vào nhà xưởng và máy móc mà còn phải chi tiêu cho việc phát triển các bước xử lý phức tạp để chế tạo các con chip từ đĩa silicon siêu phẳng. Đây chính là lý do tại sao các nhà máy sản xuất chip được gọi là "fab".

Các hệ thống máy móc khổng lồ sẽ ánh sáng các đường thiết kế của con chip lên mỗi tấm silicon, sau đó etsin lưu lại và khắc các lớp vật liệu để tạo ra bán dẫn và kết nối chúng. Công nghệ này cho phép xử lý đồng thời đến 25 tấm wafer trong các thùng chứa đặc biệt, và di chuyển tự động qua các đường ray đã được thiết lập.

Quá trình xử lý tấm wafer đòi hỏi hàng nghìn bước và mất tới 2 tháng để hoàn thành. TSMC đã nổi tiếng với việc vận hành các gigafab - những nhà máy đúc chip siêu lớn với 4 hoặc nhiều hơn các dây chuyền sản xuất chip, đạt đến đỉnh cao chế tạo chip trong những năm gần đây.

Hình ảnh trong pháo đài sản xuất chip của Intel, công trình tốn hàng tỷ USD xây dựng và tiêu thụ 50 triệu lít nước mỗi ngày.

Theo TechInsights, mỗi dây chuyền có khả năng xử lý hơn 100.000 tấm wafer mỗi tháng. Ngay cả hai nhà máy của Intel ở Arizona với chi phí dự kiến 10 tỷ USD chỉ có thể xử lý 40.000 tấm wafer mỗi tháng theo ước tính của họ.

Những con chip được đóng gói như thế nào?

Sau khi khắc các bóng bán dẫn nhỏ lên tấm wafer, công đoạn tiếp theo là đóng gói chúng. Các tấm wafer sẽ được cắt ra thành các con chip riêng biệt, sau đó được thử nghiệm và bọc trong miếng nhựa để kết nối với bảng mạch hoặc các thành phần của hệ thống.

Hình ảnh từ bên trong pháo đài sản xuất chip của Intel: Chi phí xây dựng lên đến hàng tỷ USD, tiêu thụ 50 triệu lít nước mỗi ngày .

Khi việc thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn trở nên ngày càng khó khăn, công đoạn đóng gói chip đang trở thành một lĩnh vực cạnh tranh sôi động. Các doanh nghiệp hiện nay đang tập trung vào việc xếp lớp chip lên nhau hoặc sắp xếp chúng gần nhau và kết nối lại với nhau để tạo ra một hệ thống hoạt động như một con chip duy nhất.

Khi việc đóng gói nhiều lớp chip trở nên phổ biến, Intel đang phát triển một sản phẩm mới sử dụng công nghệ tiên tiến cho phép đóng gói lên đến 47 con chip riêng biệt. Sản phẩm này có khả năng sản xuất tại TSMC cũng như tại các nhà máy của chính Intel.

Hình ảnh trong pháo đài sản xuất chip của Intel: chi phí hàng tỷ USD xây dựng, sử dụng 50 triệu lít nước mỗi ngày

Tại sao các nhà máy sản xuất chip có trị giá đến hàng tỷ USD?

Mỗi CPU – Bộ vi xử lý mà Intel bán ra có giá hàng trăm cho đến hàng nghìn USD mỗi chiếc. Tuy nhiên, chỉ một hạt bụi vô hình có thể phá hủy nó hoàn toàn. Do đó, các nhà máy sản xuất chip cần duy trì môi trường sạch hơn cả phòng mổ của bệnh viện và hệ thống lọc không khí, kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm rất phức tạp.

Bên cạnh việc phải đối mặt với các yếu tố rung chấn có thể gây hỏng thiết bị sản xuất chip đắt tiền, các nhà máy còn phải đảm bảo phòng sạch được xây dựng trên tấm bê tông khổng lồ có khả năng hấp thụ các rung chấn.

Hình ảnh trong pháo đài sản xuất chip của Intel, với chi phí xây dựng lên đến hàng tỷ USD và mức tiêu thụ nước lên đến 50 triệu lít mỗi ngày.

Khả năng chuyển dịch lượng chất lỏng và khí khổng lồ là một yếu tố quan trọng trong việc hoạt động của nhà máy. Để đảm bảo sự lưu thông không khí hiệu quả, nhà máy cao 21m của Intel được trang bị các cánh quạt gió gigant để đẩy không khí trực tiếp xuống phòng sạch. Dưới phòng sạch là nơi chứa hàng nghìn máy bơm, máy biến áp, tủ điện, đường ống và thiết bị làm lạnh kết nối với các máy sản xuất.

Hình ảnh: Bên trong pháo đài sản xuất chip của Intel với sự đầu tư hàng tỷ USD và tiêu thụ 50 triệu lít nước mỗi ngày.

Tiêu thụ hơn 50 triệu lít nước mỗi ngày

Trong quá trình sản xuất chip, việc làm sạch các tấm wafer tại các nhà máy sản xuất chip đòi hỏi một lượng lớn nước tiêu thụ.

Các cơ sở sản xuất của Intel ở Chandler tiêu thụ khoảng 50 triệu lít nước mỗi ngày từ hệ thống cung cấp nước địa phương. Việc mở rộng nhà máy trong tương lai đòi hỏi một lượng nước lớn hơn, đặt ra thách thức đối với một bang khô hạn như Arizona, nơi đã giảm cung cấp nước cho nông nghiệp - mặc dù ngành này tiêu thụ nước nhiều hơn cả sản xuất chip.

Hình ảnh: Bên trong pháo đài sản xuất chip của Intel với quy mô lớn: tốn hàng tỷ USD xây dựng, tiêu thụ 50 triệu lít nước mỗi ngày.

Tuy nhiên, công ty cho biết, hai cơ sở sản xuất này thu hồi được khoảng 82% lượng nước mà họ sử dụng thông qua hệ thống lọc, bể lắng và các thiết bị khác. Lượng nước này sau đó sẽ được đưa về thành phố, nơi vận hành các cơ sở xử lý do Intel tài trợ và phân phối lại cho việc tưới tiêu cũng như các mục đích khác.
Intel hy vọng, đến năm 2030, công ty sẽ giúp tăng cường cung cấp nước ở Arizona và các bang khác bằng cách hợp tác với các nhóm môi trường và các bên khác để tiết kiệm và phục hồi nguồn nước cho các cộng đồng địa phương.

Làm thế nào để xây dựng các nhà máy?

Để xây dựng những nhà máy hàng tỷ USD này, có nhiều công việc phải thực hiện. Theo Dan Doron, giám đốc xây dựng của Intel, việc làm móng đòi hỏi loại bỏ 680.000 mét khối đất, được vận chuyển với tốc độ một xe ben mỗi phút.

Dự kiến, công ty sẽ phải đổ hơn 340.000 mét khối bê tông và sử dụng 100.000 tấn thép gia cường cho lớp móng của nhà máy, một con số lớn hơn so với việc xây dựng tòa nhà cao nhất thế giới, Burj Khalifa ở Dubai.

Một số cần cẩu dành cho công trình này lớn đến mức cần hơn 100 xe tải để chuyên chở từng phần của nó đến nơi lắp ráp. Cùng với các bộ phận khác, cần cẩu này sẽ nâng các thiết bị làm lạnh nặng đến 55 tấn cho nhà máy sản xuất.

Sự kết hợp của gánh nặng chi phí khổng lồ và mức độ phức tạp của các thiết bị sản xuất chip là nguyên nhân khiến cho cuộc khủng hoảng chip hiện nay trở nên khó khăn trong việc giải quyết. Ngành công nghiệp bán dẫn vẫn phụ thuộc vào một hệ thống phức tạp bao gồm các công ty cung cấp nguyên liệu thô, thiết bị sản xuất, phần mềm thiết kế, cũng như tài năng và năng lực sản xuất chip mà cho đến nay vẫn tồn tại trên toàn cầu.

Nguồn: GenK