Một số bóng bán dẫn có kích thước hơn 50 tỷ và những bóng bán dẫn này nhỏ hơn 10,000 lần so với chiều rộng của sợi tóc con người. Chúng được làm trên sàn của một tòa nhà xưởng siêu sạch khổng lồ, có thể cao tới bảy tầng và chiều dài tương đương với bốn sân bóng đá.

Vi mạch là huyết mạch của nền kinh tế hiện đại về nhiều mặt. Chúng cung cấp năng lượng cho máy tính, điện thoại thông minh, ô tô, thiết bị điện và nhiều sản phẩm điện tử khác. Tuy nhiên, kể từ khi dịch bệnh bùng phát, nhu cầu về chúng của thế giới đã tăng cao, điều này cũng dẫn đến sự gián đoạn chuỗi cung ứng và tình trạng thiếu hụt toàn cầu.

Điều này, đến lượt nó, đã làm trầm trọng thêm lạm phát và gây ra sự báo động cho người dân tại Hoa Kỳ: Hoa Kỳ đang trở nên quá phụ thuộc vào chip sản xuất ở nước ngoài. Hoa Kỳ chỉ chiếm khoảng 12% năng lực sản xuất chất bán dẫn toàn cầu; Điều này, đến lượt nó, đã làm trầm trọng thêm lạm phát và gây ra sự báo động cho người dân tại Hoa Kỳ: Hoa Kỳ đang trở nên quá phụ thuộc vào chip sản xuất ở nước ngoài. Hoa Kỳ chỉ chiếm khoảng 12% năng lực sản xuất chất bán dẫn toàn cầu; 

Intel, gã khổng lồ ở Thung lũng Silicon, đang cố gắng khôi phục vị thế dẫn đầu lâu dài về công nghệ sản xuất chip. Công ty đang đặt cược 20 tỷ USD với hy vọng giúp giảm bớt tình trạng thiếu chip. Công ty đang xây dựng hai nhà máy tại trung tâm sản xuất chip ở Chandler, Arizona và sẽ mất ba năm để hoàn thành. Gần đây, công ty đã công bố một kế hoạch mở rộng lớn hơn, sẽ xây dựng các nhà máy mới ở New Albany, Ohio và Magdeburg, Đức.

Tại sao việc sản xuất hàng triệu bộ phận nhỏ bé này lại có ý nghĩa rất lớn để xây dựng và chi tiêu? Hãy nhìn vào các nhà máy sản xuất của Intel ở Chandler và Hillsborough, Oregon, bạn có thể tìm thấy một số câu trả lời.

Chức năng của chip là gì?

Chip hay mạch tích hợp bắt đầu thay thế bóng bán dẫn đơn cồng kềnh vào cuối những năm 1950. Nhiều thành phần nhỏ bé này được sản xuất trên một miếng silicon và kết nối với nhau để hoạt động. Con chip được tạo ra sẽ lưu trữ dữ liệu, khuếch đại tín hiệu vô tuyến và thực hiện các hoạt động khác; Intel nổi tiếng với các loại bộ vi xử lý, thực hiện hầu hết các chức năng tính toán của máy tính.

Intel đã thành công trong việc thu nhỏ bóng bán dẫn trên bộ vi xử lý của mình xuống kích thước đáng kinh ngạc. Nhưng đối thủ TSMC có thể sản xuất linh kiện nhỏ hơn, đó là lý do chính khiến Apple chọn TSMC để sản xuất chip cho chiếc iPhone mới nhất của mình.

Con chip được tạo ra như thế nào?

Các dãy máy chuyên dụng nhận các thùng chứa đầy chip, được chuyển vào và ra khỏi hệ thống này để xử lý.

Một trong những chiếc máy này được sử dụng để khắc vật liệu từ tấm silicon khi sản xuất chip.

Các nhà sản xuất chip đang đóng gói ngày càng nhiều bóng bán dẫn trên mỗi miếng silicon, đó là lý do tại sao công nghệ này ngày càng tăng lên hàng năm. Đó là lý do tại sao nhà máy sản xuất chip mới có giá hàng tỷ USD nhưng ít công ty có đủ khả năng chi trả.

Ngoài việc xây dựng nhà máy và mua máy móc, các công ty còn phải bỏ ra số tiền khổng lồ để phát triển các bước xử lý phức tạp và sử dụng các tấm silicon cỡ phẳng để sản xuất chip - đó là lý do tại sao những nhà máy này được gọi là "fabs".

Những cỗ máy khổng lồ thiết kế chip trên mỗi tấm bán dẫn, sau đó lắng đọng và khắc các lớp vật liệu để tạo ra bóng bán dẫn và kết nối chúng. Trong các hệ thống này, có thể vận chuyển tối đa 25 tấm bán dẫn cùng một lúc trong một khoang đặc biệt trên đường ray nâng cao tự động.

Quá trình xử lý một tấm bán dẫn đòi hỏi hàng nghìn bước, tối đa hai tháng. Trong những năm gần đây, TSMC đã đặt ra nhịp độ sản xuất và vận hành các "gigafabs" với bốn dây chuyền sản xuất trở lên. Dan Hutcheson, phó chủ tịch công ty nghiên cứu thị trường TechInsights, ước tính mỗi nhà máy có thể xử lý hơn 100,000 tấm wafer mỗi tháng. Ông ước tính rằng hai nhà máy của Intel ở Arizona, dự kiến ​​đầu tư 10 tỷ USD, có công suất sản xuất hàng tháng khoảng 40,000 tấm bán dẫn.

Làm thế nào để đóng gói chip?

Xếp chồng các con chip bằng công nghệ mới rồi đóng gói chúng.

Trong quá trình đóng gói, các "chiplets" nhỏ sẽ được liên kết trực tiếp với wafer.

Sau khi chế biến, wafer được cắt thành từng lát riêng lẻ. Chúng được kiểm tra và bọc trong bao bì nhựa và kết nối với bảng mạch hoặc một bộ phận của hệ thống.

Bước này đã trở thành một chiến trường mới, vì việc chế tạo các bóng bán dẫn nhỏ hơn sẽ khó khăn hơn. Giờ đây, các công ty đang xếp chồng nhiều con chip hoặc đặt chúng cạnh nhau trong một gói để kết nối chúng, giống như một con chip silicon.

Ngày nay, việc đóng gói một số lượng nhỏ chip lại với nhau là một thói quen phổ biến và Intel đã phát triển một sản phẩm tiên tiến sử dụng công nghệ mới để đóng gói 47 chip độc lập lại với nhau, bao gồm một số chip do TSMC và các công ty khác sản xuất, cũng như các chip được sản xuất tại Các nhà máy của Intel.

Điều gì khiến nhà máy sản xuất chip trở nên khác biệt?

Nhân viên Intel chờ chuyển các bộ phận công cụ trong phòng sạch của khuôn viên Intel ở Hillsborough, Oregon.

Công nhân lắp đặt hệ thống xử lý nguyên liệu tự động trong phòng sạch.

Các đường ống lớn thải khí từ các máy xử lý trong khuôn viên Intel Hillsborough.

Chip Intel thường được bán với giá hàng trăm đến hàng nghìn USD. Ví dụ, Intel đã phát hành máy tính để bàn nhanh nhất vào tháng 3 năm nay.Bộ vi xử lý, bắt đầu từ $739. Một hạt bụi vô hình có thể hủy diệt một con người. Do đó, nhà máy phải sạch hơn phòng mổ bệnh viện và cần có các hệ thống phức tạp để lọc không khí cũng như điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm. Bộ vi xử lý, có giá khởi điểm từ $739. Một hạt bụi vô hình có thể hủy diệt một con người. Vì vậy, nhà xưởng phải sạch hơn phòng mổ bệnh viện và cần có hệ thống phức tạp để lọc không khí và điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm.

Nhà máy cũng không được có bất kỳ rung động nào có thể gây hư hỏng thiết bị đắt tiền. Vì vậy, phòng sạch hoàn hảo được xây dựng trên một tấm bê tông khổng lồ và lắp đặt trên một bộ giảm xóc đặc biệt.

Điều quan trọng không kém là khả năng di chuyển một lượng lớn chất lỏng và khí. Nhà máy hàng đầu của Intel cao khoảng 70 feet (21 mét), với những chiếc quạt khổng lồ giúp không khí lưu thông đến phòng sạch ngay bên dưới. Bên dưới phòng sạch là hàng ngàn máy bơm, máy biến áp, tủ điện, đường ống tiện ích và máy làm lạnh được kết nối với thiết bị sản xuất.

Sự cần thiết của nước

Nhà máy xử lý nước tại Hillsborough Phải mất hàng triệu gallon nước mỗi ngày để sản xuất khoai tây chiên.

Intel hy vọng có thể hợp tác với các tổ chức môi trường và các tổ chức khác để tăng nguồn cung cấp nước ở Arizona vào năm 2030. 

Một tòa tháp trong nhà máy Intel ở Hillsborough loại bỏ khí gas khỏi nước.

Nhà máy sản xuất bánh wafer là một ngành kinh doanh sử dụng nhiều nước. Điều này là do nước cần thiết để làm sạch tấm bán dẫn ở nhiều giai đoạn của quá trình sản xuất.

Hai cơ sở của Intel ở Chandler tiêu thụ khoảng 11 triệu gallon (khoảng 42 triệu lít) nước từ các cơ sở tiện ích địa phương mỗi ngày. Việc mở rộng trong tương lai của Intel sẽ cần nhiều vốn hơn, đây dường như là một thách thức đối với một bang bị hạn hán như Arizona, nơi đã cắt giảm việc phân bổ nước cho nông dân. Nhưng nông nghiệp thực sự tiêu thụ nhiều nước hơn một nhà máy sản xuất chip.

Intel cho biết cơ sở của họ ở Chandler phụ thuộc vào nguồn cung cấp của ba con sông và một giếng và đã thu hồi được khoảng 82% nước ngọt thông qua hệ thống lọc, bể lắng và các thiết bị khác. Nước được gửi trở lại thành phố, nơi vận hành các cơ sở xử lý do Intel tài trợ và phân phối lại để tưới tiêu cũng như các mục đích sử dụng nước không uống khác.

Intel hy vọng sẽ thúc đẩy việc cung cấp nước ở Arizona và các bang khác vào năm 2030 thông qua hợp tác với các tổ chức bảo vệ môi trường và các tổ chức khác trong các dự án tiết kiệm và phục hồi tài nguyên nước tại cộng đồng địa phương.

Làm thế nào để xây dựng một fab?

Công nhân ở Hillsborough vận chuyển vật liệu xây dựng.

Một trong những nhà máy tương lai của Intel ở Chandler. Để xây dựng cơ sở vật chất của mình, Intel sẽ cần khoảng 5,000 công nhân xây dựng có tay nghề cao trong ba năm.

Việc khai quật nền móng của hai nhà máy mới ở Chandler dự kiến ​​sẽ loại bỏ được 890,000 thước khối đất.

Chandler Đất đào lên sẽ được vận chuyển đi với tốc độ của một chiếc xe ben mỗi phút.

Cần cẩu di chuyển vật liệu xây dựng tại công trường Chandler. Ngoài ra, những chiếc cần cẩu này sẽ nâng 55 tấn thiết bị làm lạnh cho nhà máy mới.

Để xây dựng nhà máy tương lai, Intel sẽ cần khoảng 5,000 công nhân xây dựng có tay nghề cao trong vòng ba năm.

Họ có rất nhiều việc phải làm. Dan Doron, giám đốc xây dựng của Intel, cho biết việc đào móng dự kiến ​​sẽ loại bỏ 890,000 thước khối (khoảng 680,000 mét khối) đất, được vận chuyển đi với tốc độ một xe ben mỗi phút.

Công ty dự kiến ​​sẽ đổ hơn 445,000 mét khối bê tông và sử dụng 100,000 tấn thanh thép làm nền, nhiều hơn số thanh thép dùng để xây dựng Burj Khalifa, tòa nhà cao nhất thế giới.

Công ty dự kiến ​​sẽ đổ hơn 445,000 mét khối bê tông và sử dụng 100,000 tấn thanh thép làm nền, nhiều hơn số thanh thép dùng để xây dựng Burj Khalifa, tòa nhà cao nhất thế giới.

Patrick Gelsinger, người trở thành CEO của Intel cách đây một năm, đang vận động Quốc hội Mỹ cấp vốn cho việc xây dựng nhà máy sản xuất chip và ưu đãi thuế cho đầu tư thiết bị. Để quản lý rủi ro chi tiêu của Intel, ông dự định tập trung vào việc xây dựng các "vỏ" fab có thể được trang bị các thiết bị tương ứng để đối phó với những thay đổi của thị trường.

Để giải quyết vấn đề thiếu hụt chip, Gelsinger sẽ phải thực hiện kế hoạch sản xuất chip do các công ty khác thiết kế. Nhưng công ty chỉ có thể làm được rất nhiều điều; Các sản phẩm như điện thoại di động và ô tô cần các bộ phận từ nhiều nhà cung cấp cũng như chip cũ. Trong lĩnh vực bán dẫn, không quốc gia nào có thể miễn nhiễm. Mặc dù thúc đẩy ngành sản xuất trong nước có thể giảm thiểu rủi ro nguồn cung ở một mức độ nào đó, ngành công nghiệp chip sẽ tiếp tục dựa vào mạng lưới doanh nghiệp toàn cầu phức tạp để cung cấp nguyên liệu thô, thiết bị sản xuất, phần mềm thiết kế, nhân tài và sản xuất chuyên nghiệp.