Nhật Bản tăng tốc trở lại đường đua bán dẫn với Rapidus và tham vọng 2nm

Từng là cường quốc bán dẫn khi máy tính IBM PC còn thống trị thị trường, Nhật Bản nay đang tìm cách giành lại vị thế đã mất. Sau nhiều năm lép vế trước mô hình fabless–foundry (fanless pc), trong đó các công ty chỉ thiết kế chip còn khâu sản xuất được giao cho các nhà máy chuyên biệt, Tokyo đang đặt cược vào năng lực sản xuất chip nội địa như một tài sản chiến lược. Động lực này càng mạnh hơn sau các đứt gãy chuỗi cung ứng thời đại dịch, khi chất bán dẫn được nhìn nhận như “bộ não” của mọi thiết bị, từ ô tô đến trung tâm dữ liệu.

Tâm điểm của làn sóng hồi sinh là Rapidus, một tên tuổi còn rất mới trong mảng foundry – tức doanh nghiệp chuyên nhận sản xuất chip theo thiết kế của khách hàng. Công ty cho biết đang đi đúng lộ trình để bắt đầu sản xuất hàng loạt chip 2nm tại nhà máy ở Hokkaido vào nửa cuối năm 2027, chỉ khoảng 5 năm sau khi thành lập. Trước đó, nhà máy IIM-1 đã bước vào giai đoạn sản xuất thử nghiệm wafer 300mm dựa trên công nghệ transistor gate-all-around 2nm. Wafer là đĩa silicon nền để khắc và chế tạo hàng loạt vi mạch, còn 300mm là kích thước tiêu chuẩn của các fab hiện đại nhằm tối ưu sản lượng.

Trong ngành bán dẫn, “2nm” không đơn thuần phản ánh kích thước vật lý chính xác của transistor, mà là tên gọi thế hệ quy trình sản xuất mới, thường gắn với mật độ transistor cao hơn và hiệu suất năng lượng tốt hơn. Nền tảng công nghệ của Rapidus đến từ IBM, đơn vị từng trình diễn quy trình 2nm thử nghiệm từ năm 2021. Điểm đáng chú ý là việc chuyển từ FinFET sang gate-all-around, hay GAA. Nếu FinFET là kiểu transistor có cổng điều khiển bao quanh ba mặt của kênh dẫn, thì GAA bao bọc gần như toàn bộ kênh dẫn điện, giúp giảm rò rỉ điện năng và tăng hiệu quả hoạt động. Đây cũng là hướng mà Intel, Samsung và TSMC đều đang theo đuổi ở các thế hệ chip mới nhất.

Rapidus không muốn chỉ là một nhà máy sản xuất wafer truyền thống. Ngày nay, nhiều bộ xử lý hiện đại không còn là một khối silicon duy nhất mà được ghép từ nhiều die – tức các mảnh chip riêng lẻ – có thể được sản xuất ở nhiều nhà máy khác nhau rồi kết nối lại. Mô hình này được gọi là chiplet, giúp tăng tính linh hoạt, giảm chi phí và rút ngắn thời gian phát triển. Để ghép các thành phần đó, ngành công nghiệp cần đến công nghệ đóng gói tiên tiến, vốn không còn là khâu “đóng hộp” đơn giản mà là một lớp kỹ thuật hiệu năng cao quyết định tốc độ truyền dữ liệu, điện năng tiêu thụ và khả năng tản nhiệt. Rapidus cho biết họ đã đạt tiến triển với interposer lớp phân phối lại tín hiệu kích thước 600mm vuông. Interposer có thể hiểu là lớp đệm trung gian siêu mỏng, dùng để kết nối nhiều die trong cùng một gói chip với mật độ dây dẫn rất cao.

Việc bước vào thị trường muộn khiến Rapidus không thể là người đầu tiên ở mốc 2nm, nhưng điều đó chưa chắc là bất lợi chí mạng. Trong thực tế, không phải khách hàng nào cũng cần ngay tiến trình mới nhất. Nhiều hãng thiết kế chip lớn thường chọn chiến lược “n-1 node”, nghĩa là chờ khi thế hệ quy trình mới hơn xuất hiện rồi mới triển khai sản phẩm trên thế hệ trước đó. Lý do nằm ở yield – tỷ lệ chip đạt chuẩn sau sản xuất – vốn thường thấp ở giai đoạn đầu của một tiến trình mới. Với các chip lớn, đắt đỏ như bộ xử lý cho trung tâm dữ liệu, rủi ro này càng đáng kể. Rapidus muốn khai thác khoảng trống đó bằng cách cung cấp công suất sản xuất ở quy mô nhỏ hơn, không buộc khách hàng phải đặt đơn hàng khổng lồ như tại các foundry lớn, đồng thời rút ngắn chu kỳ chế tạo để các công ty có thể thử nghiệm và lặp lại thiết kế nhanh hơn.

Một yếu tố quan trọng với bất kỳ foundry nào là PDK, viết tắt của process design kit. Đây là bộ công cụ thiết kế quy trình, bao gồm các mô hình, quy tắc và thư viện kỹ thuật để khách hàng có thể thiết kế chip tương thích với công nghệ sản xuất của nhà máy. Rapidus đã phát hành bản PDK sơ bộ cho nhóm khách hàng đầu tiên và dự kiến tung ra bản đầy đủ trong năm nay. Điều này rất quan trọng vì các công ty thiết kế chip cần nhiều thời gian để tinh chỉnh sản phẩm, xác thực hiệu năng và phối hợp với các hãng phần mềm tự động hóa thiết kế điện tử như Synopsys, Cadence hay Siemens EDA. Đây là lớp phần mềm cốt lõi giúp biến một ý tưởng vi mạch thành bản thiết kế có thể đem đi sản xuất.

Đằng sau đà tăng tốc của Rapidus là sự hậu thuẫn lớn từ chính phủ Nhật Bản. Bộ Công nghiệp nước này vừa phê duyệt thêm 631,5 tỷ yên, tương đương gần 4 tỷ USD, để thúc đẩy dự án fab của Rapidus. Fab là cách gọi ngắn của fabrication plant, tức nhà máy chế tạo chip, và đây là loại cơ sở hạ tầng đắt đỏ bậc nhất thế giới, có thể tiêu tốn hàng chục tỷ USD. Việc Nhật Bản chi mạnh phản ánh xu hướng toàn cầu: Mỹ, châu Âu, Trung Quốc và nhiều nền kinh tế khác đều đang tìm cách tăng sản lượng bán dẫn trong nước nhằm giảm phụ thuộc địa chính trị và hạn chế rủi ro đứt gãy nguồn cung.

Rapidus không phải cái tên duy nhất đang xây nhà máy tại Nhật. TSMC, hãng foundry lớn nhất thế giới, đã mở fab đầu tiên ở Nhật từ năm 2024 cho các tiến trình trưởng thành hơn và mới đây công bố kế hoạch sản xuất hàng loạt chip 3nm tại Kumamoto. Tiến trình 3nm là thế hệ đi trước 2nm, hiện vẫn thuộc nhóm công nghệ tiên tiến nhất thế giới. Việc TSMC mở rộng hiện diện cho thấy Nhật Bản đang trở thành một điểm tựa quan trọng trong chiến lược phân tán sản xuất chip toàn cầu. Tuy nhiên, điều đó cũng đồng nghĩa Rapidus sẽ phải cạnh tranh trực diện với một đối thủ đã có quy mô, khách hàng và kinh nghiệm vận hành vượt trội.

Dù còn nhiều thách thức, Rapidus đang đại diện cho một cách tiếp cận khác biệt: không nhất thiết phải đánh bại TSMC hay Samsung về quy mô, mà tập trung vào tốc độ triển khai, đơn hàng linh hoạt, đóng gói tiên tiến và giá trị chiến lược của chuỗi cung ứng nội địa. Trong bối cảnh chip ngày càng trở thành nền tảng của AI, ô tô thông minh, hạ tầng viễn thông và quốc phòng, việc Nhật Bản tái dựng năng lực bán dẫn không chỉ là một dự án công nghiệp, mà còn là một bước đi địa chính trị dài hạn. Nếu Rapidus giữ đúng tiến độ 2nm vào năm 2027, nước Nhật có thể chưa trở lại đỉnh cao ngay lập tức, nhưng rõ ràng đã quay lại bàn cờ công nghệ toàn cầu với tham vọng nghiêm túc hơn bao giờ hết.