Chip bán dẫn

1. Giới thiệu tổng quan

Chip bán dẫn, thường được gọi là vi mạch, hay đơn giản là chip, là một thành phần thiết yếu của các thiết bị điện tử đã trở thành một phần quan trọng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Chúng ta có thể tìm thấy chúng trong điện thoại thông minh, máy tính, TV, xe cộ, thiết bị y tế tiên tiến, hệ thống quân sự và vô số ứng dụng khác. Theo Hiệp hội Công nghiệp Bán dẫn, vào năm 2024, doanh số bán chất bán dẫn đạt kỷ lục 526,8 tỷ USD. Người ta ước tính rằng trung bình mỗi người trên hành tinh sử dụng 120 con chip. Ví dụ, một chiếc ô tô thông thường sử dụng từ 50 đến 150. Tuy nhiên, một chiếc xe điện hiện đại có thể sử dụng tới 3.000.

Để hiểu vai trò quan trọng của chip bán dẫn, chúng ta phải giải thích chúng là gì cũng như cách chúng được thiết kế và sản xuất. Chất không dẫn điện gọi là chất cách điện. Chất dẫn điện gọi là chất dẫn điện. Chất bán dẫn là những chất có tính chất vừa là chất cách điện vừa là chất dẫn điện. Nhà chế tạo kiểm soát và quản lý dòng điện trong các thiết bị và dụng cụ điện tử.

Chất bán dẫn được sử dụng nhiều nhất là silicon. Bằng cách sử dụng chất bán dẫn, chúng ta có thể tạo ra các linh kiện điện tử rời rạc, chẳng hạn như diode, bóng bán dẫn (transistor) và mạch tích hợp (IC - Integrated circuits). IC là một thiết bị nhỏ thực hiện một số chức năng điện tử. Nó được tạo thành từ hai phần chính: một con chip silicon nhỏ và rất dễ vỡ và một gói nhằm bảo vệ chip silicon bên trong và cung cấp cho người dùng cách xử lý linh kiện một cách thực tế. Các thiết bị bán dẫn được lắp đặt bên trong nhiều thiết bị điện tử là những linh kiện điện tử quan trọng hỗ trợ hoạt động của cuộc sống hàng ngày.

2. Các loại chip

Chúng ta có thể phân loại các loại chip theo IC được sử dụng hoặc theo chức năng của chúng.

2.1. Phân loại theo loại IC được sử dụng, có ba loại chip: Kỹ thuật số, tương tự và hỗn hợp.

Hầu hết các bộ xử lý máy tính hiện nay đều sử dụng mạch kỹ thuật số. Các mạch này thường kết hợp các transistor và cổng logic. Các mạch kỹ thuật số sử dụng các tín hiệu số, rời rạc thường dựa trên sơ đồ nhị phân. Hai điện áp khác nhau được ấn định, mỗi điện áp đại diện cho một giá trị logic khác nhau. Mặt khác, trong các mạch tương tự, điện áp và dòng điện thay đổi liên tục tại các điểm xác định trong mạch. Chip cấp nguồn thường là chip analog. Một ứng dụng khác sử dụng mạch tương tự là hệ thống truyền thông. Các mạch tích hợp hỗn hợp thường là các chip kỹ thuật số có công nghệ bổ sung để làm việc với cả mạch tương tự và kỹ thuật số. Bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC – Analog to digital converter) và bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DAC – Digital to analog converter) là những bộ phận thiết yếu của các loại mạch này.

2.2. Phân loại theo chức năng, các loại chất bán dẫn bao gồm: chip nhớ, vi xử lý, bộ xử lý đồ họa (GPU), mạch tích hợp dành riêng cho ứng dụng (ASIC), Hệ thống trên chip (SoC)

a) Chip nhớ:

Chức năng chính của chip nhớ bán dẫn là lưu trữ dữ liệu, chương trình trên máy tính và các thiết bị lưu trữ dữ liệu. Công nghệ bộ nhớ bán dẫn điện tử có thể được chia thành hai loại chính, dựa trên cách thức hoạt động của bộ nhớ: bộ nhớ chỉ đọc (ROM), Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM).

Có rất nhiều loại ROM và RAM có sẵn. Chúng xuất phát từ nhiều ứng dụng khác nhau cũng như số lượng công nghệ có sẵn. Bảng dưới dây là thông tin tổng quan ngắn gọn về chức năng của các loại chip bộ nhớ chính.

b) Vi xử lý

Bộ vi xử lý được tạo thành từ một hoặc nhiều bộ xử lý trung tâm (CPU). Nhiều CPU có thể được tìm thấy trong máy chủ, máy tính cá nhân (PC), máy tính bảng và điện thoại thông minh. Bộ vi xử lý 32 và 64 bit trong PC và máy chủ ngày nay chủ yếu dựa trên kiến ​​trúc chip x86, được phát triển lần đầu tiên cách đây nhiều thập kỷ. Các thiết bị di động như điện thoại thông minh thường sử dụng kiến ​​trúc chip ARM. Bộ vi xử lý 8, 16 và 24 bit kém mạnh mẽ hơn (được gọi là bộ vi điều khiển) được tìm thấy trong các sản phẩm như đồ chơi và xe cộ và các thiết bị điều khiển đơn giản.

b) Bộ xử lý đồ họa

Bộ xử lý đồ họa là một loại bộ vi xử lý, kết xuất đồ họa để hiển thị mượt mà hơn, hầu hết người tiêu dùng thiết bị điện tử trong các video và trò chơi hiện đại. Kết xuất GPU là việc sử dụng GPU để tự động tạo hình ảnh hai chiều hoặc ba chiều từ một mô hình, được thực hiện bởi các chương trình máy tính. GPU có thể được sử dụng kết hợp với CPU để tăng hiệu suất máy tính bằng cách thực hiện một số tính toán phức tạp hơn, chẳng hạn như kết xuất từ CPU. Đây là một cải tiến lớn vì nó tăng tốc độ xử lý dữ liệu của các ứng dụng. GPU có thể thực hiện nhiều phép tính cùng một lúc. Nó cũng cho phép phát triển phần mềm tiên tiến hơn trong các lĩnh vực như học máy và khai thác tiền điện tử.

c) Mạch tích hợp dành riêng cho ứng dụng

Các mạch tích hợp dành riêng cho ứng dụng (ASIC) được tạo ra cho một mục đích cụ thể. Chúng cho phép tích hợp một lượng lớn mạch điện vào một con chip, làm giảm số lượng thành phần bên ngoài. Chúng có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng, chẳng hạn như khai thác bitcoin, trợ lý kỹ thuật số cá nhân và giám sát môi trường.

d) Hệ thống trên chip

Hệ thống trên chip (SoC) là một trong những loại chip IC mới nhất, một con chip duy nhất chứa tất cả các thành phần điện tử cần thiết cho toàn bộ hệ thống điện tử hoặc máy tính. Khả năng của SoC toàn diện hơn khả năng của chip vi điều khiển vì chúng hầu như luôn bao gồm CPU có RAM, ROM và đầu vào/đầu ra (I/O). SoC cũng có thể tích hợp camera, đồ họa, xử lý âm thanh và video trong điện thoại thông minh.

3. Công nghệ và sản xuất

3.1. Giai đoạn sản xuất

Hầu hết các công ty bán dẫn chọn thực hiện hai giai đoạn sản xuất chính: sản xuất và/hoặc thiết kế. Những công ty chỉ tập trung vào sản xuất/chế tạo được gọi là xưởng đúc (còn được gọi là nhà máy sản xuất hoặc nhà máy chế tạo chất bán dẫn). Những công ty tập trung vào thiết kế được gọi là những công ty chủ lực. Các công ty chủ lực như Broadcom, Qualcomm và HiSilicon (công ty thiết kế nội bộ của Huawei của Trung Quốc) chuyên thiết kế chip và gia công chế tạo, lắp ráp và đóng gói. Họ ký hợp đồng với Công ty Sản xuất Chất bán dẫn Đài Loan (TSMC) và các công ty khác để chế tạo cho họ. Công ty bán dẫn loại thứ ba tập trung vào cả sản xuất và thiết kế và được gọi là Nhà sản xuất thiết bị tích hợp hay IDM. Intel và Samsung là một trong những IDM lớn nhất thế giới. Các công ty bán dẫn khác hoạt động trong lĩnh vực lắp ráp, đóng gói và sản xuất thiết bị bán dẫn.

3.2. Xử lý các nút và tấm wafer

Một thuật ngữ có thể thường chú ý khi đọc về chip là nút xử lý (process node). Điều này thể hiện quy trình tiêu chuẩn hóa được sử dụng trên toàn bộ phạm vi sản phẩm. Quy trình bán dẫn dựa trên một tập hợp các bước để tạo ra một vi mạch với các transistor phải đáp ứng các mức hiệu suất và đặc tính kích thước nhất định. Tiêu chuẩn hóa quy trình cho phép sản xuất và cải tiến những con chip này nhanh hơn. Các nhóm riêng biệt không cần thiết cho từng nhóm sản phẩm nhỏ hơn, cùng một giải pháp có thể được sử dụng cho nhiều sản phẩm cùng một lúc. Điều này làm cho sản xuất hiệu quả hơn và nhanh hơn. Đưa ra nút quy trình nhỏ hơn có nghĩa là tạo ra quy trình sản xuất mới với các tính năng nhỏ hơn và dung sai tốt hơn bằng cách tích hợp các công nghệ sản xuất mới.

Các nút quy trình thường được đặt tên bằng một số theo sau là chữ viết tắt của nanomet: 7nm, 10nm, 14nm.... Ngày nay, không có mối tương quan nào giữa tên của nút và bất kỳ tính năng nào của CPU. Một thuật ngữ khác mà có thể gặp phải là wafer. Nó là một miếng bán dẫn mỏng, chẳng hạn như silicon tinh thể, được sử dụng để chế tạo IC. Tấm wafer càng lớn thì càng có thể đặt được nhiều chip trên đó.

4. Các bước sản xuất chip

4.1. Thiết kế chip

Ngày nay, sơ đồ mạch được tạo ra bởi các công ty. Một số trong số họ, như Intel và Samsung, sản xuất những gì họ thiết kế. Tuy nhiên, hầu hết đều là những công ty chủ đạo, họ giao việc sản xuất cho các xưởng đúc. Điều này cho phép họ chỉ tập trung vào phần thiết kế, trong khi các phần khác của quy trình được giao cho những công ty khác cùng tham gia. Ngoài ra, rất nhiều công ty sử dụng chip chuyên dụng hiện nay tự thiết kế chip riêng, không cần phải dựa vào Intel chẳng hạn để tạo ra chip phù hợp với nhu cầu của mình. Ví dụ bao gồm Apple, Samsung và Huawei thiết kế chip cho điện thoại của họ; Google cho dịch vụ AI Tensorflow; Microsoft và Amazon cho các trung tâm dữ liệu của họ.

4.2. Chế tạo

Ở bước này, mục tiêu là đưa thiết kế đó lên các tấm silicon. Đây là một quá trình phức tạp và đòi hỏi nhiều vốn. Việc sản xuất chip cực kỳ tốn kém vì các nhà sản xuất phải chi khoảng 30% - 50% cho chi phí vốn, so với mức chi tiêu 3% - 5% của các nhà thiết kế. Trong hầu hết các trường hợp, việc này được thực hiện bởi các xưởng đúc, chẳng hạn như TSMC. Dẫn đầu trong lĩnh vực này, các xưởng đúc có thể sử dụng máy móc của họ ở nhiều bộ phận sản xuất cho các loại chip khác nhau. Hầu hết các đối thủ đã từ bỏ việc cố gắng cạnh tranh với TSMC vì điều này không mang lợi về mặt kinh tế.

Một số công ty hàng đầu thế giới đang quyết định tách hoạt động kinh doanh thiết kế và chế tạo của họ, chẳng hạn như Samsung và Samsung Foundry, AMD và GlobalFoundries. Ngay cả Intel cũng có thể bắt đầu gia công công việc sản xuất của họ cho một xưởng đúc bên ngoài.

4.3. Trang thiết bị và phần mềm

Trang thiết bị và phần mềm tùy chỉnh được yêu cầu cho mỗi chip. Ví dụ, cần có máy in thạch bản cực tím (EUV) trong kỹ thuật in thạch bản, trong đó thiết kế được chuyển sang tấm bán dẫn silicon bằng EUV. Công ty ASML của Hà Lan là nhà sản xuất duy nhất các máy EUV cao cấp. Giám đốc điều hành ASML Peter Wennink cho biết họ đã bán được tổng cộng khoảng 140 hệ thống EUV trong thập kỷ qua, mỗi hệ thống hiện có giá lên tới 200 triệu USD. TSMC mua khoảng một nửa số máy họ sản xuất. Đây chỉ là một ví dụ về sự độc quyền trong sản xuất thiết bị.

4.5. Đóng gói và kiểm thử

Tấm silicon được cắt thành từng con chip riêng lẻ. Dây và đầu nối được gắn vào. Và các con chip được đưa vào một vỏ bảo vệ. Chúng được kiểm tra chất lượng trước khi được phân phối.

Tài liệu tham khảo

[1] Yu, P. Y., Cardona, M.: Fundamentals of Semiconductors, 3rd edn. Springer, Berlin, Heidelberg 2001.

[2] A.G. Revesz, H.L. Hughes: The Structural Aspects of Noncrystalline SiO2 Films on Silicon, A review, J. Non-Cryst. Solids 328 (1–3), 48–63 (2003).

[3] Towards a supply chain simulation reference model for the semiconductor industry Proceedings of the 2011 Winter Simulation Conference (WSC), IEEE (2011), pp. 2119-2130.

HKK