Khi kích thước chip ngày càng gần với giới hạn vật lý, khoản đầu tư cần thiết cho mỗi thế hệ nâng cấp nút quy trình cũng đang tăng lên, và chỉ riêng khoản đầu tư mới 3 nm của TSMC đã vượt quá 200 tỷ USD.
Đầu tư lớn đồng nghĩa với chi phí rất lớn, nhất là khi quy trình sản xuất chưa chín muồi và năng suất thấp. Không nhiều ngành công nghiệp và công ty có thể chi trả chi phí sản xuất chip 3 nm.
Trong số đó, điện thoại thông minh luôn là động lực chủ đạo thúc đẩy sự tiến bộ không ngừng của công nghệ vi xử lý tiên tiến .
Một mặt, do điện thoại thông minh đòi hỏi việc tích hợp các dòng chip có hiệu năng tính toán cực cao trong một không gian vô cùng hạn chế, chúng đồng thời thúc đẩy mạnh mẽ khả năng tối ưu hóa mức tiêu thụ điện năng và hiệu quả tản nhiệt.
Mặt khác, chi phí sản xuất chip rất đắt đỏ và chỉ có quy mô tiêu thụ khoảng một tỷ smartphone mỗi năm mới có thể tạo ra hiệu ứng quy mô đủ lớn. Điều này giúp không ngừng thúc đẩy các tiến trình chế tạo tiên tiến nhằm cải tiến công nghệ và nâng cao năng suất, tạo tiền đề để máy chủ, máy tính cá nhân (PC), máy chơi game và thậm chí cả ô tô tiếp cận được các công nghệ sản xuất chip tiên tiến hơn .

iPhone 15 

Li Nan - cựu giám đốc điều hành của Meizu, đã đi sâu tìm hiểu vấn đề quá nhiệt trên iPhone 15 Pro. Ông tiến hành thử nghiệm và xác định chính xác vấn đề nằm ở quy trình 3 nm của chip A17 Pro - vốn nổi tiếng với khả năng tính toán cao. Theo biểu đồ kiểm tra nhiệt độ của Li Nan, khi thực hiện các tác vụ cường độ cao, cân bằng nhiệt trở nên mất kiểm soát. Phần nhiệt mặt sau của iPhone 15 Pro Max đạt mức cao nhất đáng kinh ngạc là 41,5°C.

Tiết lộ này gây ra một cuộc tranh luận giữa người dùng, với nhiều câu hỏi về quyết định của Apple trong việc không kết hợp các biện pháp tản nhiệt bổ sung.

Người dùng đã bày tỏ sự thất vọng, đặt câu hỏi về tính thực tế của việc có cần thiết phải trang bị cho iPhone 15 Pro chip 3 nm đầu tiên trên thế giới nếu nó gặp phải các vấn đề về quá nhiệt. Họ cho rằng một hệ thống làm mát được triển khai tốt có thể giảm thiểu những vấn đề này, nhưng Apple đã quay lưng với điều đó và gây ra tình trạng quá nhiệt, ảnh hưởng đến trải nghiệm trên một điện thoại ở phân khúc cao cấp.

Ngay cả các phương tiện truyền thông nổi tiếng như Apple Hub cũng đã lên tiếng báo cáo các vấn đề quá nhiệt nghiêm trọng chỉ sau vài phút sử dụng. Một người dùng than thở: “Chip 3 nm đầu tiên trên thế giới có ích gì nếu iPhone 15 Pro và 15 Pro Max gặp vấn đề quá nhiệt?”. Một số người cho rằng gắn hệ thống làm mát thích hợp nên là ưu tiên hàng đầu của Apple, nhưng Li Nan tin rằng “nếu 3 nm còn không giải quyết được vấn đề thì gắn thêm tản nhiệt cũng chẳng ích gì”.

TSMC và Samsung

Những khó khăn và rắc rối trước đó của Samsung đã khiến Qualcomm và Nvidia từ bỏ họ, chuyển qua nhờ TSMC gia công những chip xử lý mạnh nhất của hai hãng này. Đương nhiên, Samsung cũng đang làm mọi cách để lôi kéo những khách hàng tiềm năng quay trở lại. Tháng 6/2022, Samsung bắt đầu khởi động dây chuyền sản xuất chip 3 nm công nghệ transistor GAA, trước TSMC. Nhưng để thu hút khách hàng chọn tiến trình 3 nm, Samsung phải có tỷ lệ chip đạt chuẩn ở ngưỡng 70% trở lên.

Tương tự như vậy là TSMC. Tỷ lệ chip đạt chuẩn của tiến trình 3 nm FinFET từ tập đoàn Đài Loan có vẻ cũng không như kỳ vọng. Hồi đầu năm, có nguồn tin nói yield rate 3 nm của TSMC đang ở ngưỡng 55%. Đó chính là lý do khiến Apple có thể đàm phán để hạ giá thành gia công từng tấm wafer với những die chip A17 Pro cho chiếc máy iPhone 15 Pro vừa ra mắt.

Nếu TSMC gặp khó khăn với tiến trình 3 nm, chắc chắn Samsung sẽ có cơ hội để lôi kéo những khách hàng lớn, nhưng điều đó hoàn toàn phụ thuộc vào khả năng và thời điểm người Hàn Quốc hoàn thiện tiến trình. Cả TSMC lẫn Samsung đều đang hoàn thiện tiến trình để có những giải pháp gia công chip 3 nm hoàn hảo hơn trong giai đoạn 2024, 2025. Còn trong khi đó bên kia bờ Thái Bình Dương, Intel cũng có cơ hội để bắt kịp với TSMC và Samsung, với hai kiến trúc chip 3 nm, Sierra Forest và Granide Rapids. Hồi tháng 7, Intel tuyên bố rằng tỷ lệ chip đạt chuẩn và hiệu năng chip 3 nm thử nghiệm đã đạt con số đề ra trong kế hoạch.

Khủng hoảng nhiệt năng

Con số về số lượng bóng bán dẫn trong đoạn văn trên có sự nhầm lẫn nhỏ: A17 Pro thực tế sở hữu 19 tỷ bóng bán dẫn (chứ không phải 190 tỷ).

Dữ liệu về mức công suất cực đại (TDP) lên tới 14W chính là chìa khóa giải thích cho hiện tượng nhiệt độ trên iPhone 15 Pro tăng cao:

• Giới hạn tản nhiệt trên thiết bị di động: Smartphone sử dụng tản nhiệt thụ động (không có quạt). Một mức TDP 14W là con số rất cao đối với một con chip điện thoại, vốn chỉ được thiết kế để duy trì công suất ổn định ở mức thấp hơn nhiều (thường từ 4W đến 6W).
• Đánh đổi giữa hiệu năng đỉnh (Peak Performance) và hiệu suất năng lượng (Efficiency): Khi Apple đẩy xung nhịp và số nhân GPU lên để đạt mức tăng trưởng hiệu năng 20%, mật độ nhiệt sinh ra tại một điểm (local hot spot) trên đế silicon trở nên quá lớn so với khả năng truyền nhiệt của khung máy.
• Vai trò của tiến trình TSMC N3: Thế hệ N3 đầu tiên (N3B) gặp áp lực lớn về mật độ năng lượng và dòng rò khi ép xung ở hiệu năng cao. Dù tiến trình này giúp tăng số lượng bóng bán dẫn, việc ép xung quá đà để bám đuổi biểu đồ hiệu năng đã triệt tiêu lợi thế tiết kiệm điện vốn có của tiến trình mới.

Những thách thức nhiệt độ và năng lượng không phải là câu chuyện riêng của một nhà sản xuất hay một dòng sản phẩm cụ thể. Khi kích thước bóng bán dẫn tiến sát các giới hạn vật lý của vật chất, bài toán thu nhỏ diện tích bắt đầu vấp phải những rào cản nền tảng:

• Hiệu ứng đường hầm lượng tử (Quantum Tunneling): Khi lớp cách điện (oxit cổng) trở nên quá mỏng, các electron không còn bị giam giữ hoàn toàn mà có thể "lọt qua" hàng rào thế năng, gây ra hiện tượng rò rỉ dòng điện nghiêm trọng ngay cả khi transistor ở trạng thái tắt.
• Tổn thất năng lượng và sốc nhiệt: Dòng rò gia tăng đẩy mức tiêu thụ điện tĩnh (static power dissipation) lên cao, làm phát sinh lượng nhiệt cục bộ lớn mà các giải pháp tản nhiệt thụ động khó có thể giải quyết triệt để.

Chính vì vậy, kể từ nút thắt 7 nm trở xuống, khái niệm "sự lo lắng về quy trình" (process anxiety) đã bao trùm toàn bộ ngành công nghiệp bán dẫn. Việc thu nhỏ kích thước theo định luật Moore truyền thống không còn mang lại bài toán kinh tế - kỹ thuật tối ưu, buộc các kỹ sư và nhà sản xuất phải tìm kiếm những hướng đi hoàn toàn mới.

Sự xuất hiện của tiến trình 3 nm đánh dấu một cuộc cách mạng cấu trúc để đối phó với các giới hạn vật lý kể trên:

• Chuyển đổi kiến trúc Transistor: Cấu trúc FinFET truyền thống đã chạm trần hiệu năng kiểm soát dòng rò. Cả TSMC và Samsung đều phải thực hiện bước nhảy vọt sang kiến trúc GAA (Gate-All-Around) hay còn gọi là Nanosheet, nơi cổng điều khiển ôm trọn kênh dẫn từ cả bốn phía để triệt tiêu dòng rò hiệu quả hơn.
• Đổi mới phương pháp đóng gói: Bên cạnh việc tinh chỉnh nút bán dẫn, ngành công nghiệp đang tăng tốc chuyển dịch sang đóng gói tiên tiến (Advanced Packaging) như thiết kế Chiplet, tích hợp 3D và phân phối điện từ mặt sau (Backside Power Delivery Network) nhằm giải quyết các nút thắt về hiệu năng và nhiệt lượng ở cấp độ hệ thống.

Kết luận

Ngày nay, mọi người đều hiểu chip quan trọng như thế nào trong thế giới thực về kích thước vật lý và mỗi inch tiến bộ trên chip về cơ bản sẽ thúc đẩy sự gia tăng đáng kể sức mạnh tính toán trên toàn thế giới, đây là một trong những động lực chính của tiến bộ khoa học và công nghệ của con người trong vài thập kỷ qua.
So với tương lai sau 1 nm, các vấn đề mà 3 nm gặp phải ngày nay không khó khăn cũng không đáng ngạc nhiên, và các fab từ lâu đã dự đoán và chuẩn bị cho chúng. Nhưng ngay cả sau một vài năm khi quá trình thu nhỏ chip đang tiến gần đến giới hạn vật lý, không bao giờ có một vấn đề không thể giải quyết được.
Khi các mạch tích hợp quy mô lớn đang gia tăng, sản lượng kém đã từng khiến nhiều công ty mất niềm tin, nhưng các công ty như Fairchild Semiconductor và Texas Instruments đã thay thế xưởng sản xuất chip bằng một căn phòng siêu sạch không bụi, và tất cả những người bước vào phải mặc quần áo bảo hộ cực kỳ chặt chẽ để đảm bảo rằng bụi, mồ hôi và tóc sẽ không làm hỏng các tấm wafer mỏng manh và đạt được năng suất đủ cao.