Khâu từng bị xem là ‘phụ’ của ngành chip bỗng thành nút thắt của cuộc đua AI, Nvidia và AMD đổ hàng tỷ USD để giải cứu

Cuộc đua xây dựng hạ tầng trí tuệ nhân tạo (AI) toàn cầu đang kéo hàng tỷ USD đổ vào công nghệ đóng gói chip tiên tiến. Khâu từng bị xem là kém hào nhoáng của ngành bán dẫn nay trở thành “nút thắt” trong quá trình sản xuất những bộ vi xử lý mạnh nhất thế giới.

Theo hơn một chục lãnh đạo ngành và nhà phân tích tại Đài Bắc, nhu cầu chip AI đang vượt xa năng lực đóng gói hiện có. Nhiều công ty, từ Nvidia, AMD đến những cái tên ít được biết đến hơn của Đài Loan, đang mở rộng sản xuất. Các nhà sản xuất thiết bị cũng phát triển công cụ mới để đón làn sóng này.

“Đóng gói từng là thứ mà bạn không cần bận tâm”, ông Pat Gelsinger, cựu Giám đốc điều hành Intel, hiện là đối tác tại quỹ đầu tư Playground Global, nói với các phóng viên tại Đài Bắc gần đây.

Theo ước tính của ông Gelsinger, đóng gói tiên tiến cuối cùng có thể chiếm tới một nửa giá trị của một sản phẩm chip. Nguyên nhân là một số bộ xử lý đồ họa và bộ xử lý trung tâm hiện có thể tích hợp từ 10 đến 20 chip.

Hãng nghiên cứu Yole Group dự báo năm 2026 sẽ là lần đầu tiên doanh thu từ đóng gói tiên tiến vượt doanh thu từ phương pháp truyền thống. Chi tiêu vốn cho công nghệ này được kỳ vọng đạt gần 28 tỷ USD.

Từ bảo vệ chip đến “ghép” nhiều chip thành một hệ thống

Cuộc chạy đua đầu tư phản ánh sự thay đổi lớn trong cách sản xuất các loại chip mạnh. Ngày càng nhiều nhà thiết kế sử dụng đóng gói tiên tiến để tích hợp nhiều chip, như bộ xử lý và bộ nhớ, vào một gói duy nhất. Nhờ đó, cả cụm chip hoạt động nhanh hơn như một hệ thống thống nhất.

Điều này khác với thông lệ suốt nhiều thập kỷ, khi đóng gói chủ yếu để bảo vệ chip và tạo kết nối điện để gắn chúng vào bảng mạch.

Sự thay đổi diễn ra trong bối cảnh việc nâng hiệu năng bằng cách thu nhỏ và bổ sung bóng bán dẫn (các công tắc cực nhỏ bên trong chip) ngày càng khó khăn và tốn kém.

Kỹ thuật đóng gói mới đặc biệt quan trọng với chip AI, loại chip cần trao đổi lượng dữ liệu khổng lồ giữa bộ xử lý và bộ nhớ đặt gần đó. Tăng tốc các lần truyền dữ liệu này giúp rút ngắn quá trình huấn luyện và vận hành các mô hình AI.

TSMC thống trị, Nvidia tìm nguồn cung khác

Công ty Sản xuất Chất bán dẫn Đài Loan (TSMC), nhà sản xuất chip theo hợp đồng lớn nhất thế giới, đang dẫn đầu ở công nghệ đóng gói tiên tiến phức tạp nhất, trong đó có chip-on-wafer-on-substrate (CoWoS). Công nghệ này liên kết các mảnh silicon riêng biệt, chẳng hạn bộ xử lý và chip nhớ, trên một đế chung để chúng phối hợp ở tốc độ cao.

CoWoS được Nvidia, AMD và Broadcom sử dụng rộng rãi, cũng như các công ty điện toán đám mây đang phát triển chip AI riêng.

Tuy nhiên, giới hạn năng lực của TSMC thúc đẩy một số nhà thiết kế chip tìm thêm nguồn cung. Nvidia đang rót hàng tỷ USD để mở rộng năng lực đóng gói CoWoS tại Siliconware Precision Industries (SPIL), đơn vị thuộc ASE Technology của Đài Loan. Thông tin này do một lãnh đạo trong ngành nắm rõ vấn đề tiết lộ và xin giấu tên vì không được phép phát biểu với truyền thông.

Theo nguồn tin, khoản tài trợ sẽ dùng cho không gian nhà máy và thiết bị mới. Quy mô khoản hỗ trợ chưa từng được đưa tin trước đây. Nvidia không trả lời yêu cầu bình luận, còn ASE cho biết không bình luận về các tin đồn thị trường liên quan đến khách hàng của mình.

Về phía AMD, hãng đã công bố các khoản đầu tư trên 10 tỷ USD vào ngành bán dẫn Đài Loan, trong đó có hợp tác về đóng gói tiên tiến với ASE, SPIL và Powertech.

Giám đốc điều hành AMD Lisa Su cho Reuters biết tại Đài Bắc hồi tháng 10: “Tôi cho rằng CoWoS và đóng gói tiên tiến cực kỳ quan trọng với điện toán hiệu năng cao của AMD trong tương lai”. Theo bà, TSMC là đối tác tuyệt vời trong lĩnh vực này và AMD sẽ tiếp tục hợp tác, song hãng cần thêm năng lực đóng gói nói chung.

Cơ hội cho các nhà cung cấp nhỏ hơn

Năng lực hạn chế của TSMC mở ra cơ hội cho các nhà cung cấp nhỏ hơn như Powertech Technology (PTI) của Đài Loan. Chủ tịch Powertech D K Tsai nói với các phóng viên hồi tháng 8 rằng ai cũng đang tìm giải pháp ngoài TSMC và không muốn phụ thuộc hoàn toàn vào hãng này.

PTI đặt cược vào công nghệ đóng gói cấp độ tấm (panel-level packaging). Thay vì tấm wafer (phiến silicon) hình tròn, công nghệ này dùng các tấm hình chữ nhật cỡ lớn làm nền tảng đóng gói chip. Mỗi lượt sản xuất nhờ đó chứa được nhiều chip hơn và ít lãng phí vật liệu hơn, một lợi thế khi các bộ xử lý AI ngày càng lớn và phức tạp.

Công ty đang hợp tác với AMD và Broadcom về công nghệ này, trong lúc ngành công nghiệp tìm cách chứng minh tính khả thi với các gói chip lớn, phức tạp dùng cho AI và điện toán hiệu năng cao. Theo Phó Chủ tịch cấp cao của PTI Jim Lin, điều quan trọng nhất lúc này là năng lực sản xuất, khi khách hàng đang chờ công ty tăng tốc.

Powertech có kế hoạch đầu tư 400 triệu USD vào liên doanh đóng gói tiên tiến với Broadcom tại Singapore. Ông Tsai cho biết hoạt động sản xuất có thể bắt đầu vào năm 2028.

TSMC cũng phát triển công nghệ dựa trên tấm của riêng mình, gọi là chip-on-panel-on-substrate (CoPoS), để hỗ trợ các gói chip lớn và phức tạp hơn. Hồi tháng 4, hãng cho biết đã xây dựng dây chuyền thử nghiệm và kỳ vọng bắt đầu sản xuất trong vài năm tới. Dù vậy, CoWoS vẫn là công nghệ đóng gói AI chủ lực của TSMC.

Bà Rani Borkar, người đứng đầu mảng phần cứng của Microsoft Azure, cho rằng đóng gói cấp độ tấm giúp giảm lãng phí vật liệu khi đóng gói các chip AI lớn hơn. Tuy nhiên, Microsoft chưa quyết định có áp dụng công nghệ này hay không, cũng như thời điểm áp dụng.

Thị trường mới cho nhà sản xuất thiết bị

Cơn sốt đóng gói còn mở ra thị trường mới cho các nhà sản xuất thiết bị bán dẫn. Các công ty này vốn tập trung vào những công đoạn sớm hơn của quy trình, khi mạch điện được tạo trên silicon. Đóng gói tiên tiến diễn ra muộn hơn, khi chip, bộ nhớ hoặc các thành phần khác được ghép thành một khối hoàn chỉnh có hiệu năng cao.

Ông Seiji Nakama, Chủ tịch Tokyo Electron Đài Loan, cho biết đóng gói tiên tiến đang tăng trưởng nhanh hơn nhiều so với thị trường thiết bị sản xuất chip, dù quy mô vẫn nhỏ hơn.

Ông Sree Kesapragada, Phó Chủ tịch nhà sản xuất thiết bị Mỹ Applied Materials, nhận định thị trường đóng gói tiên tiến, bao gồm công nghệ cấp độ tấm, có thể tăng trưởng đáng kể trong 3-5 năm tới. “Đó là chuyện trong ngắn hạn, không phải 10 hay 15 năm nữa”, ông nói. Applied Materials đang ngày càng tập trung vào định dạng mới này.