Ngành công nghiệp bán dẫn là gì?

Điểm nhấn chính:

- Trong chuỗi giá trị ngành công nghiệp bán dẫn toàn cầu, Mỹ là quốc gia đứng đầu (chiếm 38%), Hàn Quốc đứng thứ hai (16%) và Nhật Bản đứng thứ ba (14%). 

- Từ 2024 đến 2032, khối tư nhân đầu tư khoảng 2.3 nghìn tỷ USD vào lĩnh vực gia công đĩa bán dẫn, theo BCG.  

Tổng quan về ngành công nghiệp bán dẫn

Chất bán dẫn (Semiconductors) là loại vật liệu có cả hai tính chất của chất cách điện và chất dẫn điện. Chất bán dẫn thường được chế tạo từ silicon sở dĩ vì vật liệu này có thể dẫn điện tốt hơn chất cách điện như thủy tinh nhưng dẫn điện kém hơn các vật liệu dẫn điện truyền thống như nhôm hay đồng.

Bóng bán dẫn là một dạng thiết bị bán dẫn được dùng để truyền hoặc ngăn dòng điện chạy qua, từ đó mô phỏng được trạng thái nhị phân (không có dòng điện = 0, có dòng điện = 1). Hệ nhị phân được sáng tạo bởi Gottfried Wilhelm Leibniz vào năm 1703 lấy cảm hứng từ khái niệm nhị nguyên được diễn tả qua Yin and Yang trong Kinh Dịch của Trung Quốc. Các dữ liệu và lệnh của máy tính đều được diễn tả dưới hệ nhị phân (0 và 1), từ các tín hiệu nhị phân này, bộ xử lý trung tâm (CPU) có thể thực hiện lấy (fetch), giải mã (decode), thực thi (execute) các tác vụ phức tạp.

Mức độ tiên tiến trong công nghiệp bán dẫn hiện nay được thể hiện qua việc tạo ra bóng bán dẫn càng bé càng tốt. Bóng bán dẫn càng nhỏ cho phép đặt được số lượng bóng bán dẫn nhiều hơn trong cùng một diện tích, như vậy giúp tăng khả năng tính toán hay sức mạnh của con chip.  

Chuỗi giá trị ngành công nghiệp bán dẫn

Thiết kế chip

Lõi IP (Intellectual Property Cores)

Lõi IP là thiết kế bố trí mạch tích hợp (IC) hoặc mạch logic. Lõi IP có thể được sở hữu và sử dụng bởi một bên hoặc có thể được dùng để cấp phép cho nhiều bên khác sử dụng trong việc thiết kế chip. Chẳng hạn như Apple sử dụng công nghệ lõi IP được sở hữu bởi ARM để tạo ra các thiết kế chip tùy biến, sử dụng trong các sản phẩm của Apple như iPhones, iMacs, iPads.

Theo Precedence Research, thị trường lõi IP toàn cầu năm 2024 có giá trị rơi vào khoảng 7.53 tỷ USD và sẽ đạt giá trị 17 tỷ USD vào năm 2034. Theo báo cáo của IPnest, một số công ty dẫn đầu trong mảng lõi IP là ARM Holdings (42% thị phần), Synopsys (22% thị phần), Cadence Design Systems (5.6% thị phần). Tổng cộng có đến hơn 150 công ty phân phối lõi IP trên toàn cầu.

Công cụ EDA (Electronic Design Automation Tools) 

Theo định nghĩa của Synopsys, EDA bao gồm phần mềm, phần cứng và dịch vụ hỗ trợ trong việc mô phỏng, thiết kế, kiểm định các thiết bị bán dẫn hoặc chip. Công cụ EDA có ba vai trò chính: (1) thiết kế và kiểm định sản xuất bán dẫn để đảm bảo thiết bị bán dẫn cho ra hiệu suất yêu cầu và độ dày đặc, (2) giúp kiểm tra thiết kế đáp ứng đủ các yêu cầu của quá trình gia công, (3) kiểm soát hiệu suất của thiết bị bán dẫn (chip) sau khi được gia công trước khi đưa ra thị trường.

EDA giúp việc sản xuất chip nhanh hơn, giảm chi phí và chip kiểm soát được độ phức tạp của các con chip tiên tiến sau này. Dẫn đầu mảng EDA gồm có Synopsys, Cadence, Mentor Graphics (Siemens EDA). Fabless companies Các nhà thiết kế chip có thể kể đến như Apple, NVIDIA, AMD, Qualcomm, Broadcom là các đơn vị lựa chọn nhà cung cấp IP Cores để mua bản quyền, sau đó tự tùy biến theo cách của hãng. Các hãng này cũng sử dụng công cụ EDA để thực hiện các công đoạn mô phỏng, thiết kế và kiểm định chip. Sau đó, đưa mẫu thiết kế cho bên gia công thứ ba để thực hiện việc gia công, đóng gói.

Gia công

Foundries

Các hãng chuyên gia công chip trên thế giới như TSMC, SMIC, UMC, Global Foundries, Samsung nhận các hợp đồng gia công chip từ các hãng công nghệ và gia công theo thiết kế có sẵn. Các hãng này tập trung cải tiến quy trình sản xuất chip để cho ra sản phẩm tiến tiến, độ tin cậy cao, ít lỗi.

Bên cung cấp máy móc và vật liệu

Hầu hết các con chip tiên tiến được dùng trong thương mại hiện nay được sản xuất trên công nghệ quang khắc cực tím. Ngoài ra còn có các công nghệ khác nhưng không phù hợp cho sản xuất hàng loạt hoặc đã lỗi thời.

ASML Holding N.V. Tính đến năm 2023, đây là nhà cung cấp lớn nhất cho ngành công nghiệp bán dẫn và là nhà cung cấp duy nhất trên thế giới về máy quang khắc cực tím (EUV) cần thiết để sản xuất các con chip tiên tiến nhất.

Ngoài ra còn có các hãng cung cấp các vật liệu hiếm và hóa chất được dùng trong ngành công nghiệp bán dẫn.

Kiểm định, đóng gói, lắp ráp

Foxconn, Lattice, Agilent, Amkor, TER là các đơn vị cung cấp dịch vụ lắp ráp, kiểm tra và đóng gói sản phẩm. Sử dụng những tấm wafer chế tạo bởi các hãng chuyên gia công, các bên lắp ráp chip vào sản phẩm cuối và thực hiện kiểm định trước khi đưa ra thị trường.

IDM- Integrated Device Manufacturers

Một số hãng có khả năng thực hiện toàn bộ quá trình từ thiết kế kiến trúc chip cho đến quá trình sản xuất và bán ra thị trường được gọi tắt là IDM. Intel, Samsung, SK Hynix, Texas Instruments, Micron là những IDM đầu ngành bán dẫn.  

Thực trạng của ngành công nghiệp bán dẫn toàn cầu

Những con số ấn tượng

- Chip bán dẫn tiên tiến hiện tại có thể chứa nhiều nhất đến 10 tỷ bóng bán dẫn.

- Năm 2023, có gần 1,000 tỷ bán dẫn được bán trên toàn cầu, tương đương mỗi người trên trái đất có hơn 100 con chip cho mình.

- Trên toàn cầu, thiết bị liên lạc chiếm nhu cầu bán dẫn cao nhất, chiếm 32%; đứng thứ hai là máy tính cá nhân, chiếm 25%; công nghiệp ô tô đứng thứ ba với 17%.

- Năm 2022, Đài Loan (TSMC) chiếm đến 92% thị phần toàn cầu về công nghệ gia công chip tiến trình nhỏ hơn 10nm, 8% còn lại thuộc về Hàn Quốc. Đài Loan cũng là quốc gia chiếm 60% thị phần về gia công chip toàn cầu. Nhật Bản là quốc gia cung cấp đĩa bán dẫn hàng đầu thế giới với 56% thị phần. 

- ASML là công ty nắm giữ hơn 87% thị phần quang khắc (photolithography) trong công nghiệp bán dẫn có giá trị 17.5 tỷ USD. Ngoài ra, một công ty Mỹ và hai công ty tại Nhật cũng dẫn đầu trong thị trường deposition, material removal & cleaning; Mỹ chiếm lần lượt 67% và 56% trong khi nhật chiếm 15% và 35% thị phần hai mảng kể trên; hai thị trường này lần lượt có giá trị 22.8 và 30.5 tỷ USD. 3 ngách kể trên cũng là 3 ngách có giá trị lớn nhất trong quy trình gia công đĩa bán dẫn.

- Tính chung chuỗi giá trị, Mỹ vẫn là quốc gia đứng đầu, chiếm 38% toàn cầu, đứng thứ hai và ba lần lượt là Hàn Quốc và Nhật Bản với 16% và 14%.

- Theo dự đoán trong một báo cáo của BCG, từ 2024 đến 2032 có khoảng 2.3 nghìn tỷ USD được khối tư nhân đầu tư vào lĩnh vực gia công đĩa bán dẫn.

- Đến năm 2024, có hơn 3,000 doanh nghiệp fabless (không gia công, chỉ thiết kế) tại Trung Quốc đại lục cùng với mức tăng trưởng doanh thu 2 chữ số mỗi năm. 

Từ 2020-2023, có đến 25 nhà máy ATP (Assembly, Testing, Packaging) được đầu tư mới tại hai quốc gia Trung Quốc và Đài Loan. Trong khi phần còn lại của thế giới chỉ có 13 nhà máy, Việt Nam có 1 nhà máy của Amkor tại Bắc Ninh.