Cuộc đua thu nhỏ chip tăng tốc

Trong những năm gần đây, thị phần bán dẫn của Nhật Bản trên quy mô toàn cầu đã giảm xuống dưới 10% (Biểu đồ 1-3).
                             
                                      
                                           Bảng 1-4: Bảng xếp hạng doanh thu bán dẫn toàn cầu
Vào năm 1984, có tới 5 doanh nghiệp Nhật Bản nằm trong top 10 công ty bán dẫn hàng đầu thế giới. Tuy nhiên đến năm 2023, không còn một cái tên nào xuất hiện trong danh sách này (Bảng 1-4).

Hiện nay, các dòng sản phẩm chủ lực của ngành bán dẫn toàn cầu là bộ xử lý logic và bộ nhớ (memory) – được sử dụng trong smartphone, máy tính cá nhân và hạ tầng 5G. Ở những lĩnh vực này, các nhà sản xuất đến từ Mỹ, Hàn Quốc và Đài Loan đang chiếm ưu thế gần như tuyệt đối.
          
Trong khi đó, các công ty Nhật Bản chỉ còn giữ vai trò nhất định ở một số mảng chuyên biệt:

• Kioxia (tiền thân là Toshiba Memory) trong lĩnh vực bộ nhớ flash NAND – loại bộ nhớ có thể lưu trữ dữ liệu ngay cả khi tắt nguồn,

• Renesas Electronics trong mảng bán dẫn cho ô tô,

• Mitsubishi Electric, Toshiba, Fuji Electric và ROHM trong lĩnh vực bán dẫn công suất (Power Semiconductor) – linh kiện có thể điều khiển dòng điện lớn, thường dùng trong ô tô và thiết bị điện,

• Sony Group ở mảng cảm biến hình ảnh (Image Sensor) (Biểu đồ 1-5)

Tuy nhiên, trong số này, chỉ có Kioxia là vẫn còn sản xuất bán dẫn tiên tiến (Advanced Semiconductor). Nhật Bản hiện không có doanh nghiệp nào tự sản xuất được bán dẫn logic – chẳng hạn như CPU, GPU (Graphics Processing Unit) hay TPU (Tensor Processing Unit). GPU là mạch tích hợp (ASIC) chuyên thực hiện các phép tính đồ họa 3D và xử lý hình ảnh với tốc độ rất cao, trong khi TPU là loại chip do Google phát triển riêng cho mạng nơ-ron nhân tạo (neural network).

Kể từ khi Nhật Bản gần như biến mất khỏi sân khấu toàn cầu, công nghệ bán dẫn thế giới lại tăng tốc phát triển với tốc độ chóng mặt. Trên một vi mạch IC, vô số bóng bán dẫn (transistor) được kết nối bằng các dây kim loại siêu nhỏ. Khi thu nhỏ kích thước transistor và làm hẹp bề rộng dây dẫn, số lượng transistor có thể bố trí trên cùng một chip tăng lên — quá trình này được gọi là tích hợp hóa (Integration). Mật độ mạch càng cao, hiệu suất xử lý càng lớn và mức tiêu thụ điện năng càng giảm (mô tả ở Biểu đồ 1-6).

Dù Định luật Moore ban đầu chỉ mô tả về “tích hợp hóa” chứ không phải “thu nhỏ hóa (miniaturization)”, nhưng do hai yếu tố này gần như tương ứng với nhau, trong sách này, khái niệm “thu nhỏ hóa” sẽ được dùng thay thế. Mạch tích hợp được phát minh vào năm 1959 mang cấu trúc gọi là “planar” (phẳng). Trên bề mặt phẳng của tấm silicon, việc rút ngắn chiều dài cổng (gate length) và thu hẹp dây dẫn là yếu tố cốt lõi của quá trình thu nhỏ. Cho đến thời điểm Elpida – công ty sản xuất bộ nhớ hàng đầu của Nhật – tuyên bố phá sản, các chip cấu trúc planar vẫn duy trì được tốc độ cải tiến đúng theo định luật Moore: hiệu năng tăng gấp đôi sau mỗi hai năm.

Tuy nhiên, sau hơn 40 năm, cấu trúc planar đã chạm đến giới hạn vật lý, khiến quá trình thu nhỏ dần trở nên khó khăn hơn bao giờ hết.