Chip bán dẫn: Sức mạnh của một con ngựa bất kham

Chip bán dẫn, hay mạch tích hợp (IC) là nền tảng của mọi thiết bị điện tử hiện đại, cho dù là điện thoại, máy tính, hay vệ tinh, tên lửa. Tuổi đời của công nghệ bán dẫn thực ra không quá non trẻ. Lịch sử của nó đã bắt đầu từ những khám phá về vật liệu bán dẫn vào giữa thế kỷ 19. Nhưng phải đến hơn 50 năm sau mới chứng kiến được ứng dụng sơ khai là diode bán dẫn, cấu thành quan trọng của máy thu sóng radio lúc bấy giờ.

Hai thế kỷ khởi động, nửa thập niên bứt tốc

Vào năm 1946, Đại học Pennsylvania (Mỹ) đã chế tạo ENIAC, một máy tính sử dụng đèn điện tử. Chiếc máy tính này lớn đến mức chiếm toàn bộ tòa nhà, tiêu thụ lượng điện khổng lồ và tỏa ra rất nhiều nhiệt. Nhưng bước đột phá đến ngay vào năm tiếp theo, khi John Bardeen và Walter Brattain thiết kế thành công bóng bán dẫn (transistor) - linh kiện thay thế cho đèn điện tử cồng kềnh và kém hiệu quả, mở ra kỷ nguyên mới cho ngành công nghiệp này(1).

Sau đó một thập niên, tên gọi mạch tích hợp chính thức ra đời. Cả Jack Kilby và Robert Noyce đều được thừa nhận là đã độc lập tạo ra, nhưng bằng độc quyền sáng chế chỉ được trao cho người nhanh tay hơn là Robert Noyce vào năm 1961. Đây cũng là sáng chế đầu tiên được cấp cho một sản phẩm công nghệ liên quan đến bán dẫn, khởi đầu tươi đẹp cho gần 81.000 sáng chế chỉ trong một năm từ tháng 3-2023 đến tháng 3-2024(2).

Năm 1965, Gordon Moore, nhà đồng sáng lập Intel, đã đưa ra dự đoán rằng số lượng bóng bán dẫn trên một mạch tích hợp sẽ tăng gấp đôi sau mỗi hai năm. Định luật Moore này đã trở thành kim chỉ nam cho ngành công nghiệp bán dẫn, thúc đẩy sự phát triển vượt bậc về sức mạnh tính toán và hiệu suất của chip. Không khó hiểu khi Intel trở thành ông trùm lĩnh vực này trong hàng thập tiếp theo, trước khi bị phủ bóng theo một cách chóng vánh không ngờ đến.

Cuộc giành ngôi giữa các “ông lớn”

Thuở ban đầu, ngành công nghiệp bán dẫn hoạt động theo mô hình tích hợp chiều dọc, trong đó các công ty bán dẫn tự thiết kế và sản xuất chip tại các cơ sở của riêng mình. Tuy nhiên, từ những năm 1980, họ đã chuyển sang mô hình “xưởng đúc”, các nhà máy sản xuất hoạt động riêng biệt với công ty thiết kế mạch.

Sự thay đổi trên dẫn đến phân công chuyên môn hóa cực cao, khó có thể tìm thấy trong bất kỳ lĩnh vực nào khác. Cuộc chơi đang được dẫn dắt bởi hai ông trùm là Nvidia và Broadcom, cùng vài “kép phụ” như AMD, Qualcomm, Mediatek. Tuy là kép phụ, mỗi hãng đều có thế mạnh của riêng mình mà các đối thủ không dễ chen chân, nhất là Qualcomm.

Nhưng miếng bánh là quá lớn để họ có thể một mình thâu tóm. Việc thiết kế mạch phải dựa trên các nền tảng tự động hóa và quyền sở hữu trí tuệ của ARM, Synopsy, Cadence, Siemens… Tiếp nữa, người thiết kế cũng không đủ sức để tự sản xuất, mà phải thông qua các công xưởng như TSMC, UMC, Samsung, Intel…

Chưa dừng lại, các công xưởng này đâu thể đúc chip bằng tay không, mà phải mua máy móc, thiết bị từ ASML, Advantest, Applied Materials. Sau cùng, các tay chơi nhỏ hơn như Foxconn, Amkor, “thủ phận” kiếm lời từ lắp ráp hậu kỳ, kiểm thử, cung cấp nguyên vật liệu…

Đế chế Intel từng một mình một ngựa nay gần như bị hất cẳng khỏi khâu thiết kế, chỉ còn leo lắt cạnh tranh ở công đoạn sản xuất, nơi mà lợi nhuận biên rất mỏng. Giá trị của Intel ngày nay chỉ loanh quanh 100 tỉ đô la Mỹ, so với một Nvidia vượt mốc 3.000 tỉ đô la. Cần biết rằng, đó là một tốc độ tăng trưởng khủng khiếp bởi mãi đến đầu năm 2020, Intel vẫn đang là cái tên dẫn trước.

Mới vài năm trước, dường như chỉ có các game thủ là hay nghe đến tên Nvidia lúc chọn card đồ họa. Đại dịch Covid-19 là bước ngoặt đầu tiên giúp cải thiện vị thế, bởi người ta phải phụ thuộc vào công nghệ nhiều hơn khi làm việc từ xa. Card đồ họa trở nên khan hiếm, đẩy vai trò Nvidia lên cao nhờ bước ngoặt thứ hai: Bitcoin. Việc “đào” tiền ảo ngốn một số lượng card đồ họa khổng lồ, nơi cung cấp GPU để giải các thuật toán chuỗi khối phức tạp (blockchain). ChatGPT, mở đường cho hàng loạt cái tên AI khác, tiếp tục không thể sống thiếu hơi thở GPU, đã giúp cắm thêm chiếc kiềng cuối cùng xây chắc đế chế Nvidia.

Không có chỗ cho tay mơ!

Ngay khi sáng chế đầu tiên được cấp cho mạch bán dẫn, nước Mỹ đã sớm cho rằng các công cụ sở hữu trí tuệ truyền thống không còn theo kịp. Quyền tác giả là quá mong manh, trong khi sáng chế lại quá phức tạp và mất thời gian. Họ cần một thứ gì đó nhanh hơn, hiệu quả hơn dành cho các con chip. Và đó là sự ra đời của thiết kế bố trí mạch tích hợp bán dẫn trong luật sở hữu trí tuệ đương đại.

Người Mỹ trình làng đạo luật bảo hộ chip bán dẫn vào năm 1984. Họ tìm mọi cách thúc đẩy nó bằng việc khởi động Hiệp ước Washington. Hiệp định TRIPS cũng nhanh chóng đưa đối tượng trên vào quy định khung. Nhưng điều mỉa mai là Hiệp ước Washington thậm chí chưa bao giờ có hiệu lực, ngay ở chính nước Mỹ.

Bốn mươi năm trôi qua, người ta giờ đã nhận ra đây là chế định thừa thãi nhất trong hệ thống sở hữu trí tuệ. Ở chính nơi khai sinh là Mỹ, từ năm 2010-2022, chỉ có 646 bằng bảo hộ được cấp. Công xưởng chip Đài Loan thì khá khẩm hơn đôi chút với trên 1.000 bằng . Việt Nam dường như còn chưa bao giờ đưa đối tượng này vào báo cáo thường niên.

Lý giải cho hiện trạng này không quá khó. Ngành bán dẫn ngày nay trở thành lĩnh vực “siêu” tập trung vốn và công nghệ, không có chỗ cho vài ba xâm phạm vặt vãnh. Nó chuyên môn hóa cao đến mức, chỉ có vài đại gia chia nhau mỗi công đoạn của quá trình sản xuất, từ trên bàn giấy đến tay người tiêu dùng cuối. Nói cách khác, ngành này được bảo hộ vững chắc bởi sáng chế, bí mật kinh doanh, và nhất là tiền.

Dù lo lắng thái quá là vậy, nước Mỹ có nằm mơ cũng không ngờ tới viễn cảnh hôm nay của ngành bán dẫn. Từ thập niên 1970, các hãng thiết kế bán dẫn Mỹ cho rằng họ chỉ cần nắm giữ công nghệ là đủ, không muốn tiêu tốn nguồn lực vào việc sản xuất. Vậy là cơ hội “kiếm tiền lẻ” đến tay Đài Loan. Nhưng có vẻ không ai tiên liệu được rằng, “mớ tiền lẻ” đó gom lại hóa khổng lồ. Giờ ngay cả chính Nvidia dẫu muốn hay không, cũng không đủ nguồn lực để tự mình nhảy vào công đoạn “chân tay” này nữa. Gần 60% sản lượng chip toàn cầu hiện nay xuất xưởng từ Đài Loan. Giá trị của TSMC (Đài Loan) đang dao động quanh mốc 1.000 tỉ đô la, xấp xỉ Broadcom, gấp vài lần Qualcomm.

Dù đang kiểm soát mảng thiết kế chip, Mỹ phó mặc công đoạn sản xuất vào tay Đài Loan và phần nào đó là Hàn Quốc. Sự lệ thuộc giờ tạo ra cơn đau đầu cho Mỹ vì Đài Loan vẫn thuộc Trung Quốc.

Trung Quốc không còn là mối đe dọa nữa, mà thực sự đã trỗi dậy thành địch thủ xứng tầm với Mỹ. Chỉ với một mẩu thông tin về DeepSeek - AI phát triển bởi Trung Quốc, đạt đến trình độ ngang ngửa ChatGPT mà không cần mạch tích hợp phức tạp, lập tức thổi bay gần 600 tỉ đô la giá trị Nvidia trên sàn chứng khoán chỉ trong 24 giờ. Một con số vô tiền khoáng hậu.

Chiếc iPhone 15 đang sử dụng 27 bộ chip, với khoảng… 19 tỉ transistor. Vậy bạn có thể hình dung số lượng được dùng cho vệ tinh hay vũ khí hiện đại? Éo le thay, xưởng đúc chip của bạn lại đang nằm trong sải tay của đối thủ nguy hiểm nhất. Đây không chỉ còn là cuộc chiến kim tiền trên thương trường, mà quả thực, con ngựa bất kham này sẵn sàng tung cú đá hậu chết chóc đến cả vận mệnh quốc gia.

(1) https://www.chiphistory.org/timeline

(2) https://www.lexology.com/library/detail.aspx?g=c04e08ff-6a53-4846-a421-e4c55b60e5f7

Nguyễn Lương Sỹ