Trung Quốc tìm cách 'vượt giới hạn' với công nghệ xếp chồng 3D

Ngày càng nhiều công ty bán dẫn Trung Quốc sử dụng giải pháp xếp chồng 3D trong bối cảnh bị Mỹ hạn chế tiếp cận công nghệ tiên tiến.

Ngày 4/7, sau hai năm hoạt động âm thầm, Dongfang Suanxin công bố website và tài khoản mạng xã hội. Công ty thành lập vào tháng 5/2024 này tự định vị là "doanh nghiệp mới nhưng đáng gờm" trong lĩnh vực điện toán AI Trung Quốc, xây dựng hệ sinh thái chip AI tự chủ với hai mục tiêu: Chip được định nghĩa bằng phần mềm (Software-defined Chip), và Kiến trúc tính toán gần bộ nhớ 3D (3D Near-Memory Computing).

Chip được định nghĩa bằng phần mềm là các bộ vi xử lý sở hữu cấu trúc phần cứng có thể linh hoạt thay đổi, tái cấu hình hoặc nâng cấp chức năng thông qua phần mềm sau khi đã được sản xuất. Trong khi đó, Kiến trúc tính toán gần bộ nhớ 3D là mô hình thiết kế vi mạch xếp chồng các lớp bộ nhớ lên trên hoặc ngay sát vi xử lý, giúp dữ liệu di chuyển quãng đường cực ngắn, giải quyết "nút cổ chai" về tốc độ và năng lượng.

Bên trong một phòng thí nghiệm của nhà sản xuất bán dẫn của SMIC. Ảnh: SMIC

Dongfang Suanxin do Wei Shaojun thành lập với quy mô 500 nhân viên, nhưng "ẩn mình" thời gian dài, theo AIFun. Ngoài trụ sở ở Thượng Hải, startup này còn có chi nhánh nghiên cứu và phát triển tại 7 thành phố, gồm cả Bắc Kinh và Thâm Quyến. Ông Shaojun cũng có tiếng nói trong ngành, là giáo sư tại Trường Mạch tích hợp thuộc Đại học Thanh Hoa, kiêm Phó chủ tịch Hiệp hội công nghiệp bán dẫn Trung Quốc.

Theo ChinaFund, Dongfang Suanxin đã gọi vốn hai lần, hiện được định giá 1,7 tỷ USD. Sản phẩm đầu tay là DF1000, bộ tăng tốc AI hiệu năng cao dựa trên Kiến trúc tính toán gần bộ nhớ 3D, cung cấp giao diện chuẩn hóa giúp thích ứng liền mạch với nền tảng máy chủ AI của nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM) lớn trong nước, hỗ trợ huấn luyện và suy luận cho mô hình trí tuệ nhân tạo quy mô lớn.

Hướng đi chủ đạo

Quyết định lộ diện kèm chiến lược sản xuất chip 3D của Dongfang Suanxin diễn ra thời gian ngắn sau khi Huawei công bố đột phá công nghệ giúp tạo chip 1,4 nm vào năm 2031. Thay vì dựa vào Định luật Moore vốn hướng đến thu nhỏ bóng bán dẫn (transistor), Huawei giới thiệu Định luật Mở rộng Tau mới giúp cải tiến chip, tập trung giảm thời gian tín hiệu và dữ liệu đi qua vi xử lý. Việc sản xuất cũng không cần máy quang khắc siêu cực tím (EUV) mà Trung Quốc khó tiếp cận, thay vào đó "gấp" mạch 2D truyền thống thành cấu trúc 3D thẳng đứng, tức xếp chồng chip lên nhau.

Theo NBC News, thông báo của Huawei thu hút sự quan tâm lớn. Một số gọi đây là "khoảnh khắc DeepSeek" của ngành chip, số khác cho rằng lệnh hạn chế của Mỹ đang khuyến khích đổi mới. CEO Nvidia Jensen Huang cũng đánh giá kiến trúc mới mà Huawei đang theo đuổi là "bước đột phá", dù chưa gây ra mối đe dọa tức thời nào.

Trong nhiều năm, tham vọng bán dẫn của Trung Quốc chủ yếu xoay quanh thu hẹp khoảng cách về tiến trình chế tạo với thế giới. Nhưng trước những hạn chế tiếp cận máy quang khắc EUV và biện pháp kiểm soát xuất khẩu từ Washington, nước này đang chuyển trọng tâm sang kiến trúc chip 3D và công nghệ đóng gói tiên tiến (Advanced packaging), theo SCMP.

Thay vì chỉ tăng số lượng transistor trên một mặt phẳng theo định luật Moore, Trung Quốc hướng đến giải pháp gồm hybrid-bonding (xếp chồng và kết nối trực tiếp các chip siêu nhỏ), chiplet (thiết kế kiểu module) và 3D stacking (chip hoặc linh kiện bán dẫn xếp theo chiều dọc và kết nối trực tiếp) nhằm tăng mật độ tính toán, băng thông và hiệu suất năng lượng. Đây được xem là những hướng đi quan trọng giúp duy trì đà phát triển chip AI trong "kỷ nguyên hậu định luật Moore".

Các giải pháp 3D đang được kỳ vọng mang lại tiềm năng lớn. Chẳng hạn, LogicFolding của Huawei cho phép tổng số bóng bán dẫn tăng gấp đôi, qua đó cải thiện mật độ transistor lên 50% và hiệu suất năng lượng lên 40% mà không cần sử dụng thiết bị EUV, thậm chí cho phép sản xuất chip 3 nm bằng tiến trình 7 nm.

YMTC (Yangtze Memory) của Trung Quốc là công ty đầu tiên giới thiệu công nghệ hybrid-bonding trong lĩnh vực chip nhớ NAND. CXMT (Changxin Memory) cũng tích cực thúc đẩy phát triển DRAM 3D. Tom's Hardware dẫn nguồn tin cho biết YMTC đang chuyển giao công nghệ này cho CXMT nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chuyển đổi, trong khi Huawei đã thiết lập liên minh công nghệ chặt chẽ với cả hai.

Theo thống kê của PanDaily, Tsingway hiện phát triển chip AI thế hệ mới dựa trên công nghệ xếp chồng dị thể 3.5D giúp tăng thông lượng dữ liệu và mật độ tính toán; Suanmiao Technology hoàn tất thiết kế chip A4E TokenPU với 8 lớp bộ nhớ xếp chồng trên lớp logic, đạt băng thông bộ nhớ tới TB/giây; Lingchuan Technology phát triển chip 3D SL200 đã ứng dụng cho Alibaba Cloud, Baidu Cloud và Bilibili.

Những đơn vị khác đang nghiên cứu giải pháp tối ưu bằng 3D. Chẳng hạn, kiến trúc Zixuan của Unisplendour đặt mục tiêu DRAM đạt băng thông 30 TB/giây, Intellifusion có phương pháp suy luận tích hợp bộ nhớ xếp chồng 3D nhằm tăng băng thông và giảm độ trễ truy cập dữ liệu, JCET đang đầu tư mạnh vào đóng gói 2.5D/3D, hay TongFu sở hữu nhiều bằng sáng chế liên quan đến hybrid-bonding, 3D Near-Memory Computing.

Từ góc nhìn toàn ngành, quỹ đầu tư Global X China Semiconductor ETF cho rằng công nghệ sản xuất chip 3D đang mang lại ý nghĩa lớn cho Trung Quốc. Nếu thành công, doanh nghiệp bán dẫn trong nước có thể thu hẹp hoặc ít nhất là duy trì khoảng cách công nghệ với Mỹ thay vì bị bỏ xa hơn.

Loạt rào cản

Dù đẩy mạnh, thực tế ngành công nghiệp bán dẫn Trung Quốc được đánh giá vẫn "mắc kẹt" ở tiến trình 5 nm, thậm chí năng lực công ty nước này chỉ sản xuất hàng loạt chip ở tiến trình 7 nm. Trong khi đó, TSMC (Đài Loan) đã dự định sản xuất hàng loạt chip 1,4 nm năm 2028, nghĩa là khoảng cách với thế giới sẽ bị nới rộng đáng kể sau thời gian này. Nếu Huawei có thể dùng công nghệ 3D để sản xuất chip 3 nm năm 2028 và 1,4 nm năm 2031 như tuyên bố, khoảng cách sẽ thu hẹp.

Chuyên gia trong ngành thừa nhận vẫn còn nhiều rào cản cần vượt qua. Bà He Tingbo, phụ trách mảng bán dẫn của Huawei, cho biết cách tiếp cận mới của công ty dù đột phá nhưng vẫn gặp khó khăn lớn, như phải chế tạo công cụ thiết kế mới phù hợp với Định luật Mở rộng Tau và ngăn tình trạng quá nhiệt, từ chip cho thiết bị di động đến trung tâm dữ liệu AI.

Theo hãng nghiên cứu bán dẫn ICwise tại Thượng Hải, việc gấp các mạch thành nhiều lớp hoạt động khiến mật độ nhiệt tăng lên gấp 5-10 lần, nghĩa là chip có thể rất nóng khi hoạt động. Hơn nữa, việc chuyển đổi phương pháp từ 2D sang 3D đòi hỏi công cụ thiết kế chip chuyên dụng, vốn là yếu tố hạn chế tại Trung Quốc.

Một số công ty nội địa tập trung cho giải pháp này, như Empyrean Technology tháng trước cho biết đã phát triển hệ thống tạo mạch tích hợp 3D với mục tiêu trở thành "phương tiện quan trọng để hiện thực hóa Định luật Mở rộng Tau". Tuy vậy, đơn vị này chưa công bố chiến lược cụ thể.

Sản xuất cũng là vấn đề khác. Theo ICwise, việc đạt tỷ lệ sản lượng khả thi về mặt thương mại khi xếp chồng ba bốn lớp hoạt tính vẫn là nhiệm vụ cực kỳ khó khăn.

Trước bối cảnh này, các doanh nghiệp bán dẫn Trung Quốc vẫn bày tỏ sự lạc quan với công nghệ sản xuất chip 3D, nhưng kêu gọi nhà nước cần có chính sách mạnh mẽ hơn để thúc đẩy phát triển và chiêu mộ nhân tài. Phát biểu tại một hội nghị ở Thâm Quyến tháng 6, ông Shaojun cho rằng cần cơ chế ưu đãi hơn nữa giúp đào tạo chuyên gia ưu tú cho công nghệ mới. Ông lưu ý ngành công nghiệp bán dẫn trong nước "rất phân mảnh" với 87% các công ty thiết kế chip quy mô nhỏ, có ít hơn 100 nhân viên.

Nói với Global Times đầu năm nay, Shaojun cũng kêu gọi ngành công nghiệp trong nước duy trì "cảnh giác cao độ" và giữ vững cam kết nâng cao năng lực đối với các công nghệ tiên tiến.

Bảo Lâm tổng hợp