Bí quyết giúp chip AI mạnh hơn: Công nghệ đóng gói tiên tiến

Công nghệ đóng gói tiên tiến sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng

Xu hướng chuyển dịch sang công nghệ đóng gói tiên tiến trong ngành công nghiệp chip đã hình thành từ lâu và được dự báo sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng trong việc thúc đẩy những tiến bộ của công nghệ bán dẫn. Thuật ngữ này chỉ nhiều phương pháp khác nhau nhằm kết nối các phần silicon thành cụm chip lớn, hoạt động như một thể thống nhất.

Những phương pháp truyền thống giúp chip tăng hiệu năng và tiết kiệm năng lượng không còn phát huy hiệu quả như trước.

Trong nhiều thập niên, những tiến bộ của ngành chip gần như hoàn toàn dựa vào việc cải tiến thiết kế và thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn. Theo thời gian, ngành công nghiệp hình thành quy luật rằng số lượng bóng bán dẫn có thể tích hợp trên một miếng silicon sẽ tăng gấp đôi sau khoảng hai năm. Quy luật này trở nên đáng tin cậy đến mức được gọi là Định luật Moore, đặt theo tên Gordon Moore - đồng sáng lập Intel - người đầu tiên nhận ra xu hướng đó.

Tuy nhiên, trong khoảng 10 năm trở lại đây, khi bóng bán dẫn được thu nhỏ đến mức phải đo bằng nanomet, Định luật Moore bắt đầu bị đặt dấu hỏi. Một số nhà sản xuất chip như Intel gặp khó khăn trong việc duy trì tốc độ cải tiến công nghệ sản xuất như trước.

Những doanh nghiệp vẫn duy trì được đà tiến bộ ổn định, đáng chú ý là TSMC (hãng sản xuất chip theo hợp đồng lớn nhất thế giới, có trụ sở ở Đài Loan), cũng không còn tạo ra những bước nhảy vọt về mật độ bóng bán dẫn giữa các thế hệ sản phẩm như trước nữa.

Chi phí ngày càng tăng của những công nghệ sản xuất chip tiên tiến nhất cũng tạo thêm thách thức. Ngay cả trước khi xảy ra cơn sốt AI, yếu tố này đã thúc đẩy hai nhà sản xuất CPU (bộ xử lý trung tâm) lớn là AMD và Intel thay đổi cách đóng gói chip.

Thay vì khắc toàn bộ mạch điện trên một miếng silicon đắt đỏ duy nhất, AMD và Intel chuyển sang kết nối nhiều miếng silicon với nhau. Một số miếng silicon được sản xuất bằng những công nghệ cũ hơn, có chi phí thấp hơn. Cách làm này còn mang lại lợi ích phụ là cải thiện tỉ lệ chip đạt tiêu chuẩn trên một số thiết kế sau quá trình sản xuất.

Hiệu năng chip AI là yếu tố then chốt với Nvidia

Tuy nhiên, làn sóng AI đã đẩy cuộc đua phát triển công nghệ đóng gói chip lên một cấp độ mới. Với Nvidia, chi phí không phải mối quan tâm lớn nhất khi hãng phát triển những dòng chip AI thúc đẩy cơn sốt đầu tư hiện nay. Hiệu năng mới là yếu tố then chốt và những chip dẫn đầu thị trường của Nvidia sẽ không thể được sản xuất nếu thiếu công nghệ đóng gói tiên tiến.

Chip Nvidia sử dụng các công nghệ do TSMC phát triển, kết hợp năng lực xử lý AI với khối lượng tính toán khổng lồ và bộ nhớ băng thông cao (HBM) trong cùng một cụm đóng gói tiên tiến. HBM cho phép truyền dữ liệu nhanh chóng giữa bộ nhớ và bộ xử lý, giúp đáp ứng nhu cầu tính toán lớn của các ứng dụng AI.

Trong thời gian qua, năng lực đóng gói chip hạn chế đã trở thành nút thắt, cản trở doanh số chip của Nvidia. Để khắc phục, TSMC đã chuyển đổi một số nhà máy sản xuất chip cũ thành cơ sở đóng gói, đồng thời tăng công suất đóng gói lên nhiều lần vài năm gần đây.

Các khoản đầu tư vào công nghệ đóng gói được dự báo sẽ tiếp tục tăng khi những công ty như TSMC phối hợp với khách hàng để đẩy giới hạn của công nghệ sản xuất chip. Những phương pháp đóng gói trong tương lai sẽ ngày càng chú trọng xếp chồng các miếng silicon lên nhau, thay vì chỉ đặt chúng cạnh nhau.

Xu hướng này đang khiến công nghệ đóng gói trở thành lĩnh vực được quan tâm nhiều hơn, dù đây từng là một mảng kinh doanh có biên lợi nhuận tương đối thấp và ít đổi mới.

TSMC và các nhà sản xuất chip khác đang tự thực hiện nhiều công đoạn đóng gói hơn, đưa hoạt động này về nội bộ thay vì chủ yếu thuê các doanh nghiệp bên ngoài đảm nhiệm như trước.

Các nhà cung cấp thiết bị phục vụ ngành bán dẫn, trong đó có Applied Materials (Mỹ), cũng đang hưởng lợi từ nhu cầu đầu tư vào công nghệ sản xuất chip tiên tiến. Trong quý III tài chính năm 2026, Applied Materials ghi nhận doanh thu 9,12 tỉ USD, tăng 25% so với cùng kì năm trước. Công ty cho biết nhu cầu từ AI đang thúc đẩy hoạt động đầu tư vào các giải pháp sản xuất bộ nhớ, chip logic tiên tiến lẫn công nghệ đóng gói.

Hồi tháng 8, ông Gary Dickerson - Giám đốc điều hành Applied Materials - cho biết doanh thu liên quan đến công nghệ đóng gói dự kiến tăng hơn 70% trong năm nay.

Diễn biến này cho thấy cuộc đua AI đang tạo thêm cơ hội kinh doanh cho cả những doanh nghiệp cung cấp thiết bị và công nghệ đứng phía sau quá trình sản xuất chip.

Cuộc đua đóng gói chip mở rộng sang Mỹ, bộ nhớ và công nghệ xếp chồng

Cuộc đua đóng gói chip tiên tiến đang làm thay đổi cấu trúc chuỗi cung ứng bán dẫn toàn cầu. Thay vì chỉ tập trung vào những nhà máy chế tạo chip, các doanh nghiệp công nghệ ngày càng phải bảo đảm nguồn cung vật liệu kết nối, bộ nhớ và thiết bị phục vụ quá trình tích hợp nhiều thành phần bán dẫn.

Một diễn biến đáng chú ý là thỏa thuận trị giá 2 tỉ USD giữa GlobalFoundries và TSMC được công bố ngày 8/10. Theo hãng tin Reuters, GlobalFoundries sẽ sản xuất tấm kết nối silicon tại nhà máy ở bang New York (Mỹ) để phục vụ công nghệ đóng gói CoWoS của TSMC. Đây là bộ phận giúp kết nối bộ xử lý với các chip nhớ, tạo điều kiện truyền dữ liệu tốc độ cao giữa chúng.

Thỏa thuận ban đầu có thời hạn 5 năm và GlobalFoundries dự kiến bắt đầu tăng dần sản lượng linh kiện này tại nhà máy trong nửa đầu 2028.

Thỏa thuận cho thấy doanh nghiệp Mỹ đang tìm cách mở rộng năng lực sản xuất những linh kiện quan trọng phục vụ chip AI ngay trong nước.

Ngày 12/10, tờ Seoul Economic Daily đưa tin TSMC đẩy mạnh nội địa hóa chuỗi cung ứng đóng gói chip AI tại Mỹ, sau khi bắt đầu sản xuất chip tại đây. Tuy nhiên, sản xuất tấm kết nối silicon mới chỉ giải quyết một khâu. Các công đoạn lắp ráp, kiểm định và hoàn thiện vẫn đòi hỏi năng lực riêng.

Bên cạnh đó, các nhà sản xuất đang tìm cách rút ngắn khoảng cách giữa bộ xử lý và bộ nhớ bằng cách xếp chồng nhiều thành phần lên nhau. Tại hội nghị Future of Memory and Storage vào tháng 8/2026, Samsung giới thiệu ý tưởng HBM thế hệ mới có tên zHBM, trong đó các lớp bộ nhớ được đặt trực tiếp phía trên bộ tăng tốc AI thay vì bên cạnh như trong thiết kế phổ biến hiện nay. Cách tiếp cận này hướng tới giảm quãng đường dữ liệu phải di chuyển, qua đó tăng tốc độ truyền dữ liệu và cải thiện hiệu quả sử dụng điện. Tuy nhiên, zHBM vẫn là thiết kế định hướng tương lai, chưa được triển khai.

Những cải tiến này cũng đặt ra bài toán khó về nhiệt. Khi nhiều thành phần công suất cao được đặt gần nhau hoặc xếp chồng, nhiệt lượng khó thoát ra ngoài hơn. Các kỹ sư phải đồng thời giải quyết vấn đề tản nhiệt, cấp điện ổn định và bảo đảm tín hiệu không bị suy giảm. Nếu một thành phần không đáp ứng yêu cầu, toàn bộ cụm chip có thể phải giảm hiệu năng hoặc tiêu thụ nhiều điện hơn dự kiến.

Về dài hạn, đóng gói tiên tiến có thể giúp ngành bán dẫn tiếp tục cải thiện hiệu năng ngay cả khi việc thu nhỏ bóng bán dẫn ngày càng tốn kém. Tuy nhiên, lợi thế này đi kèm những đánh đổi: Thiết kế phức tạp hơn, quy trình kiểm định khắt khe hơn và sự phụ thuộc lẫn nhau giữa các nhà cung cấp lớn hơn. Do đó, năng lực đóng gói, nguồn cung bộ nhớ và khả năng kết nối các thành phần sẽ ngày càng quyết định doanh nghiệp nào có thể đưa chip AI ra thị trường với số lượng lớn, thay vì chỉ dựa vào công nghệ chế tạo bóng bán dẫn.