Hồi nhỏ, cậu bé Li Ta-sen thường đi bộ đến trường qua những cánh đồng mía cao ngập đầu.

Khoảng 40 năm sau, Li Ta-sen lại kiếm sống bằng cách... bán bớt những cánh đồng ấy. Khi đó, lý do cho việc xây dựng điên cuồng ở một thị trấn nông thôn tồi tàn một thời ở miền nam Đài Loan rất đơn giản, đó là sự xuất hiện của nhà máy sản xuất chip tiên tiến nhất thế giới.

Công ty sản xuất chất bán dẫn Đài Loan (TSMC), nhà sản xuất chip theo hợp đồng lớn nhất trên thế giới, đang xây dựng một nhà máy sản xuất chip 3 nanomet (nm). Loại chip này dự kiến sẽ nhanh hơn tới 70% và tiết kiệm điện hơn so với loại tiên tiến nhất hiện nay và sẽ được sử dụng trong các thiết bị từ điện thoại thông minh đến siêu máy tính.

"Giá đất nông nghiệp đã tăng gấp 3 lần vào năm ngoái và chúng tôi đã có lượng giao dịch cao nhất trong lịch sử 10 năm của mình", Li, người điều hành chi nhánh địa phương của công ty môi giới bất động sản Century 21, cho biết. Ông cũng đã chứng kiến các kỹ sư TSMC nhanh tay chớp lấy những căn chung cư mới xây và nhà phố xây sẵn.

Nhưng tác động của nhà máy chế tạo mới của TSMC, hay còn gọi là "fab", còn vượt xa miền nam Đài Loan. Trong thế giới của chất bán dẫn, đây mới là "trung tâm của vũ trụ".

Nhà máy, dự kiến bắt đầu sản xuất hàng loạt vào năm tới, sẽ sử dụng công nghệ quy trình mà cho đến nay chỉ có TSMC và Samsung Electronics của Hàn Quốc làm chủ - đó là chip tiên tiến nhất hiện nay, loại chip 5nm. Những con chip mới mang lại những lợi thế to lớn cho khách hàng: các bóng bán dẫn trên chip càng nhỏ thì mức tiêu thụ năng lượng càng thấp và tốc độ cao hơn.

Với diện tích 160.000 m2, kích thước bằng 22 sân bóng đá, nhà máy này rộng ngang với TSMC - một công ty có thế mạnh về sản xuất chất bán dẫn toàn cầu.

Thông thường là một công ty có tầm ảnh hưởng thấp, khoản đầu tư lớn của TSMC vào công nghệ tiên tiến và ảnh hưởng ngày càng tăng đang âm thầm thu hút nó.

Vào thời điểm tình trạng thiếu chip toàn cầu khiến sản xuất ô tô từ Nhật Bản đến châu Âu và Mỹ bị đình trệ, đồng thời với việc các chính trị gia ở nhiều quốc gia ồn ào về việc tự sản xuất chip thì vị trí thống trị của công ty Đài Loan trong lĩnh vực sản xuất chip toàn cầu đang thu hút sự chú ý.

Đài Loan từ lâu đã trở thành trung tâm của cuộc cạnh tranh quân sự giữa Washington và Bắc Kinh ở Đông Á. Nhưng nó cũng ngày càng bị cuốn vào cuộc cạnh tranh công nghệ giữa hai siêu cường.

Các công ty của Trung Quốc đã không thành công trong nỗ lực cạnh tranh với năng lực sản xuất của TSMC, nhưng Mỹ cũng bắt đầu gặp khó khăn: Intel được thiết lập để thuê ngoài một số sản xuất bộ vi xử lý được coi là viên ngọc quý của họ cho công ty Đài Loan. Tại Washington, Lầu Năm Góc đã âm thầm thúc giục Mỹ đầu tư nhiều hơn vào lĩnh vực chế tạo chip tiên tiến, để vũ khí của nước này không bị phụ thuộc vào các nhà sản xuất nước ngoài.

Tất cả những điều đó khiến TSMC có thể trở thành công ty quan trọng nhất trên thế giới mà ít người từng nghe đến.

KIỂM SOÁT XƯỞNG ĐÚC

TSMC từ lâu đã không được chú ý nhiều vì các chất bán dẫn mà nó sản xuất được thiết kế và bán trong các sản phẩm của các nhà cung cấp có thương hiệu như Apple, AMD hoặc Qualcomm. Tuy nhiên, công ty kiểm soát hơn một nửa thị trường thế giới đối với chip sản xuất theo đơn đặt hàng.

Và TSMC đang chiếm ưu thế hơn với mọi nút công nghệ quy trình mới: đối với loại 28-65nm được sử dụng để sản xuất hầu hết các chip xe hơi, công ty chỉ chiếm 40- 65% doanh thu, nhưng lại chiếm gần 90% thị trường nút mạng tiên tiến nhất đang được sản xuất.

Peter Hanbury, một đối tác tại Bain & Company ở San Francisco, cho biết: "Đúng vậy, ngành công nghiệp này phụ thuộc rất nhiều vào TSMC, đặc biệt là khi bạn hướng đến sự tối tân, và điều đó khá rủi ro. 20 năm trước, có 20 xưởng đúc, và bây giờ những thứ tiên tiến nhất đang nằm trong một khuôn viên duy nhất ở Đài Loan".

Vì mỗi nút mới của công nghệ quy trình đòi hỏi sự phát triển nhiều thách thức hơn và đầu tư lớn hơn vào năng lực sản xuất mới, các nhà sản xuất chip khác trong những năm qua đã bắt đầu tập trung vào thiết kế và để sản xuất cho các xưởng đúc chuyên dụng như TSMC.

Chi phí cho các đơn vị chế tạo mới càng tăng thì càng có nhiều nhà sản xuất chip khác bắt đầu thuê ngoài và càng có nhiều đối thủ cạnh tranh của TSMC trong thị trường đúc máy thuần túy bỏ cuộc.

Năm nay, TSMC đã nâng dự báo đầu tư vốn lên con số khổng lồ 25 - 28 tỷ USD - có khả năng cao hơn 63% so với năm 2020 và vượt qua cả Intel và Samsung. Các nhà phân tích tin rằng điều đó bao gồm ít nhất một số khoản đầu tư vào năng lực mà nhà sản xuất Đài Loan cần để cung cấp cho Intel. Nhà sản xuất chip của Mỹ buộc phải thuê ngoài một phần sản xuất bộ vi xử lý của mình vì họ đã phải vật lộn để làm chủ hai nút công nghệ quy trình kế tiếp - 10nm và 7nm - để kịp thời sản xuất chip của riêng mình.

Sự vấp ngã của Intel đối với thế hệ công nghệ sản xuất thứ hai liên tiếp đã dẫn đến lời kêu gọi từ một nhà đầu tư hoạt động vào năm ngoái, yêu cầu công ty từ bỏ sản xuất chip bằng cách chuyển sang một mô hình kinh doanh "ổn định", như nhiều nhà sản xuất chip khác đã làm.

Pat Gelsinger, Giám đốc điều hành mới của Intel, bác bỏ ý kiến đó. Ông nói với các nhà đầu tư và nhà báo trong một tin nhắn video: "Niềm tin vào 7 nm đang tăng lên". Ông cho biết công ty đang tăng cường hợp tác với TSMC và các xưởng đúc khác, đồng thời gia công sản xuất một số bộ vi xử lý cho TSMC.

Mặc dù Gelsinger cam kết khôi phục sức mạnh sản xuất của Intel, công ty cần TSMC ít nhất trong một giai đoạn chuyển tiếp để ngăn chặn việc mất thị phần cho các đơn vị xử lý trung tâm - trái tim của mọi máy tính và máy chủ - vào tay đối thủ AMD.

Theo 2 nguồn thạo tin với TSMC và Intel, công ty Mỹ đã có một nhóm làm việc với TSMC trong hơn một năm để chuẩn bị sản xuất gia công CPU tại nhà máy chế tạo Tainan mới.

Mark Li, một nhà phân tích ngành công nghiệp chip tại Bernstein, ước tính rằng Intel sẽ thuê ngoài 20% sản lượng CPU của mình cho TSMC vào năm 2023 và công ty Đài Loan cần đầu tư khoảng 10 tỷ USD cho công suất đó.

Chi phí quá cao đã khiến các công ty khác ngày càng gặp khó khăn trong cuộc chơi sản xuất chip tiên tiến. Nhưng như ví dụ của Intel cho thấy, tiền không phải là yếu tố duy nhất. Việc thu nhỏ kích thước của các bóng bán dẫn - tính năng quan trọng cần thiết để nhồi nhét ngày càng nhiều thành phần vào một chip, do đó cho phép tiếp tục tiết kiệm chi phí và năng lượng - đang trở thành một kỳ tích đầy thách thức của ngành kỹ thuật.

Kích thước bóng bán dẫn trong một nút 3nm chỉ bằng 1/20.000 sợi tóc người. Các điều chỉnh cần thiết đối với máy móc và hóa chất để đạt được điều này trở nên dễ dàng hơn với sự tập trung duy nhất vào công nghệ sản xuất này, quy mô lớn và phạm vi ứng dụng rộng lớn mà TSMC đã phát triển.

MỐI QUAN TÂM VỀ CHUỖI CUNG ỨNG

Vị trí thống trị của TSMC trong lĩnh vực sản xuất chip đang bắt đầu thu hút sự chú ý của giới chính trị. Cú sốc từ sự thiếu hụt chip tự động đang củng cố áp lực từ các chính phủ trong việc đưa các chuỗi cung ứng quan trọng về gần hơn để giúp họ ít bị gián đoạn hơn trong các tình huống như đại dịch Covid-19 và bảo vệ họ trước ảnh hưởng từ các đối thủ địa chính trị như Trung Quốc.

Tại Mỹ, các nhà lập pháp viện dẫn rằng sự thiếu hụt chip là bằng chứng cho thấy nước này cần phải hồi sinh nhiều hơn nữa ngành sản xuất chất bán dẫn trong nước. Năm ngoái, TSMC đã cam kết dưới áp lực chính trị từ chính quyền Donald Trump để xây dựng một nhà máy trị giá 12 tỷ USD ở Arizona.

Nhật Bản cũng đang trở nên lo lắng. Tháng trước, TSMC thông báo sẽ thành lập một công ty con tại Nhật Bản để tiến hành nghiên cứu vật liệu bán dẫn mới. Nhật Bản thống trị nguồn cung cấp nguyên liệu đầu vào cho ngành công nghiệp bán dẫn. "Sẽ không an toàn nếu TSMC chỉ phát triển ở Đài Loan", một quan chức chính phủ Nhật Bản nói. "Điều này nhằm ngăn chặn nguy cơ xảy ra chiến tranh ở Đài Loan. Rủi ro đó là có thật ".

Ngay cả các quốc gia thành viên EU đang tham vọng đưa sản xuất chip tiên tiến trở lại châu Âu với sáng kiến tìm kiếm đầu tư vào nhà máy chip 2nm - thế hệ công nghệ quy trình tiếp theo sau nhà máy 3nm mà TSMC đang xây dựng ở miền nam Đài Loan.

Theo các nhà phân tích, một lý do chính khiến công ty hoạt động hiệu quả và có lãi là do tập trung sản xuất ở Đài Loan. "Các địa điểm chính của TSMC ở Đài Loan đủ gần để TSMC có thể linh hoạt huy động các kỹ sư của chúng tôi hỗ trợ lẫn nhau khi cần thiết", Nina Kao, phát ngôn viên của TSMC, cho biết. Một người thân cận với công ty ước tính rằng chi phí sản xuất ở Mỹ cao hơn Đài Loan từ 8 đến 10%.

Do đó, TSMC chưa sẵn sàng phân tán các hoạt động sản xuất của mình trên toàn cầu. "Ở Mỹ, chúng tôi cam kết xây dựng một công ty hợp pháp sau khi các nhà chức trách nói rõ rằng họ sẽ trợ cấp cho khoản chênh lệch chi phí. Tại Nhật Bản, chúng tôi tập trung đầu tư vào lĩnh vực công nghệ quan trọng đối với tương lai của chúng tôi", một giám đốc điều hành cấp cao của TSMC cho biết. "Nhưng ở châu Âu thì không được mạnh mẽ như vậy, và người châu Âu thực sự nên tìm ra chính xác điều họ muốn, và liệu họ có thể đạt được điều đó với các nhà sản xuất chip của riêng họ hay không".

Những người trong ngành bán dẫn châu Âu đồng ý với nhận định đó. Các nhà sản xuất chip châu Âu như Infineon, NXP và ST Micro thống trị thị trường chip ô tô và một số lĩnh vực khác. Nhưng từ lâu họ đã tập trung chú ý vào thiết kế chip chứ không phải sản xuất. Một số công ty chip lớn nhất châu Âu giữ lại một số đơn vị chế tạo, nhưng họ đã tránh đầu tư hàng tỷ USD vào công suất mới và thay vào đó thuê ngoài nhiều sản xuất cho các xưởng đúc như TSMC. Do đó, năng lực chip của châu Âu thua xa một số thế hệ công nghệ quy trình so với các công ty hàng đầu trong ngành như TSMC và Samsung.

"Chúng tôi hiện ở bước sóng 22nm. Đi từ bước sóng 22 lên bước sóng 2nm giống như nhảy lên đỉnh của tòa nhà chọc trời Đài Bắc 101 - nếu bạn thất bại, bạn sẽ sụp đổ ", một giám đốc điều hành cấp cao tại một công ty chip châu Âu cho biết. "Ngoài ra, nhu cầu của chúng tôi về năng lực hàng đầu ở châu Âu thực sự không thuyết phục. Chúng tôi chuyên về chất bán dẫn khác với chip dành cho thiết bị tiêu dùng đại chúng chiếm ưu thế trong nhu cầu chip của Mỹ và do đó chi phí thu được từ công nghệ sản xuất tiên tiến không quan trọng đối với chúng tôi như đối với khách hàng Mỹ của TSMC".

Tại Mỹ, cam kết của TSMC cũng hạn chế hơn so với mức 12 tỷ USD mà họ đã nói là sẽ đầu tư. Nhà máy mới ở Arizona sẽ chạy trên dây chuyền 5nm, một công nghệ tiên tiến hiện nay, nhưng khi bắt đầu sản xuất hàng loạt vào năm 2024, nó sẽ đi theo cơ sở sản xuất chip 3nm mà TSMC đang xây dựng ở miền nam Đài Loan.

Hơn nữa, một nhà máy TSMC ở Mỹ không thể được sử dụng cho mọi thứ: hầu hết các chip được sử dụng trên ô tô có thể được sản xuất với các nút 28-65nm - một phân khúc thị trường mà TSMC chiếm ít ưu thế hơn. Cam kết đầu tư vào Mỹ của công ty Đài Loan trước hết là kết quả của những nỗ lực lâu dài của Lầu Năm Góc nhằm tái tạo một số năng lực sản xuất chip tiên tiến ở Mỹ cho một chuỗi cung ứng quốc phòng an toàn.

Sự tập trung ngày càng tăng của ngành sản xuất chất bán dẫn ở xa các bờ biển của Mỹ đã khiến cơ sở quốc phòng Washington lo lắng trong hơn một thập kỷ. Điều này là do công nghệ này là chìa khóa để sản xuất vũ khí, từ các bộ xử lý cung cấp năng lượng cho siêu máy tính giúp mô hình quỹ đạo tên lửa đến các chip chịu nhiệt trong chính tên lửa. Và tầm quan trọng của chất bán dẫn đối với quốc phòng tăng lên cùng với sự gia tăng của các hệ thống không người lái như máy bay không người lái chiến đấu.

Các chuyên gia trong ngành cũng cảnh báo rằng những nỗ lực do chính phủ lãnh đạo nhằm khôi phục sản xuất chip có thể không bền vững. Hanbury nói: "Tôi nghĩ rằng mọi người không nhận một điều là đây không phải là sự sửa chữa một lần. Nếu bạn muốn 3nm, bạn sẽ tiêu tốn 15 tỷ USD, và sau đó hai năm, bạn sẽ phải chi thêm 18 tỷ đô la nữa, và sau đó là 20 tỷ USD nữa. Các con số là rất lớn, và nó là một khoản đầu tư liên tục để giữ vị trí dẫn đầu".

Đó chính là lý do tại sao TSMC ngay từ đầu đã tăng trưởng vượt trội. Các đối thủ của nó, bao gồm GlobalFoundries có trụ sở tại Mỹ và đối thủ Đài Loan UMC dần dần từ bỏ tham vọng cạnh tranh với công suất tiên tiến vì khoản đầu tư cần thiết quá lớn.

Mặc dù những ồn ào về vị trí thống trị của TSMC chỉ mới nổi lên bây giờ, nhưng sự thống trị của công ty Đài Loan đã khiến khách hàng của họ lo ngại trong một thời gian khá dài.

"Các công ty nổi tiếng đã có những lo ngại trong vài năm rằng vị trí thống trị của TSMC sẽ mang lại cho nó nhiều quyền lực định giá hơn", Hanbury nói. Ông cho biết thêm, những lo ngại đó càng trở nên gay gắt hơn khi GlobalFoundries, đối thủ cạnh tranh duy nhất còn lại ở Mỹ của TSMC, đã bỏ cuộc chạy đua để phát triển năng lực sản xuất hàng đầu vào năm 2018.

Và trong khi Tập đoàn Quốc tế Sản xuất Chất bán dẫn (SMIC), nhà máy đúc lớn nhất của Trung Quốc, vẫn đang cam kết sẽ tiếp tục, thì năm ngoái, nó bị cản trở bởi quyết định của Mỹ về việc sử dụng các biện pháp kiểm soát xuất khẩu để cấm họ nhận thiết bị cần thiết để xây dựng các cơ sở sản xuất chip tiên tiến .

Với Intel, bất chấp những khó khăn với công nghệ sản xuất tiên tiến, công ty đã thông báo rằng họ đang thành lập một doanh nghiệp đúc chuyên dụng và sẽ đầu tư 20 tỷ đô la vào hai cơ sở mới ở Arizona.

Một số chuyên gia trong ngành tỏ ra nghi ngờ. Sebastian Hou, người đứng đầu bộ phận nghiên cứu công nghệ tại CLSA, cho biết: "Tôi có thể nói rằng điều này là khó bởi vì Intel đã thử điều này trước đó vài năm, và họ không thể làm cho nó hoạt động được mặc dù họ vẫn có công nghệ xử lý tốt nhất vào thời điểm đó".

TSMC sẽ không dễ dàng nhượng bộ. Với kế hoạch đầu tư vốn khổng lồ cho năm nay, công ty đã cho thấy rằng họ đang quyết tâm giữ vững vị trí dẫn đầu. Một giám đốc điều hành tại một nhà cung cấp dụng cụ bán dẫn cho biết "một phần đáng kể" trong chi tiêu vốn dự kiến của TSMC sẽ được chuyển vào máy in thạch bản cực tím (EUV), thiết bị không thể thiếu trong các đơn vị chế tạo tiên tiến.

ASML, công ty Hà Lan thống trị thị trường EUV, cho biết trong báo cáo kết quả kinh doanh gần đây nhất của họ rằng công suất của họ không đáp ứng đủ nhu cầu. Do đó, những người trong ngành tin rằng mọi đơn đặt hàng hiện tại của TSMC sẽ giúp TSMC giữ chân bất kỳ đối thủ cạnh tranh tiềm năng nào.

Giám đốc điều hành công ty thiết bị bán dẫn cho biết: "Chắc chắn, Intel càng mất nhiều thời gian để giải quyết những khó khăn của họ, thì khoảng cách sẽ càng rộng. TSMC sẽ vẫn không thể bị đánh bại trong thời gian này".