TSMC được cho là đang đẩy mạnh nghiên cứu công nghệ đế kính (glass substrate) cho nền tảng đóng gói chip CoWoS nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của các bộ xử lý AI hiệu năng cao. Vật liệu mới hứa hẹn mang lại khả năng kiểm soát nhiệt tốt hơn, hỗ trợ các chip kích thước lớn và tăng hiệu quả truyền tín hiệu. Tuy nhiên, theo các chuyên gia trong ngành, việc sản xuất hàng loạt công nghệ này vẫn còn khá xa vời.
CoWoS đang trở thành công nghệ quan trọng nhất trong kỷ nguyên AI
CoWoS là gì?
CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) là công nghệ đóng gói tiên tiến của TSMC, cho phép kết hợp nhiều chip khác nhau trên cùng một nền tảng.
Đây là công nghệ đang được sử dụng trong các bộ xử lý AI cao cấp của nhiều công ty lớn như:
- NVIDIA
- AMD
- Broadcom
- Marvell
- Các nhà cung cấp chip AI trung tâm dữ liệu khác
Sự bùng nổ của trí tuệ nhân tạo đã khiến nhu cầu về CoWoS tăng mạnh trong vài năm gần đây.
AI đang tạo áp lực lên ngành đóng gói bán dẫn
Các bộ xử lý AI hiện đại ngày càng lớn hơn và tích hợp nhiều thành phần hơn.
Một chip AI cao cấp hiện nay thường bao gồm:
- Die xử lý chính
- Bộ nhớ HBM tốc độ cao
- Bộ điều khiển kết nối
- Các khối tăng tốc AI chuyên dụng
Điều này khiến công nghệ đóng gói trở thành yếu tố quan trọng không kém bản thân tiến trình sản xuất chip.
Vì sao TSMC muốn chuyển sang đế kính?
Đế hữu cơ đang dần chạm tới giới hạn
Hiện nay phần lớn các hệ thống CoWoS sử dụng đế hữu cơ (organic substrate).
Loại vật liệu này có chi phí thấp và quy trình sản xuất đã trưởng thành.
Tuy nhiên, khi kích thước chip ngày càng lớn, đế hữu cơ bắt đầu bộc lộ nhiều hạn chế:
- Độ ổn định cơ học giảm
- Biến dạng do nhiệt cao hơn
- Khó mở rộng kích thước đóng gói
- Hạn chế về mật độ kết nối
Đây là lý do TSMC đang tìm kiếm giải pháp thay thế.
Đế kính có đặc tính gần giống silicon
Theo các kỹ sư TSMC, đế kính sở hữu hệ số giãn nở nhiệt gần với silicon hơn nhiều so với vật liệu hữu cơ.
Điều này mang lại lợi thế lớn trong quá trình vận hành.
Khi chip hoạt động ở cường độ cao và sinh nhiệt lớn, đế kính có thể giúp giảm ứng suất cơ học giữa các lớp vật liệu.
Lợi ích của đế kính đối với chip AI
Hỗ trợ chip kích thước lớn hơn
Một trong những ưu điểm lớn nhất của đế kính là khả năng hỗ trợ các thiết kế chip kích thước cực lớn.
Đây là yếu tố đặc biệt quan trọng đối với các bộ xử lý AI trung tâm dữ liệu.
Các thế hệ GPU AI mới của NVIDIA hay AMD đang liên tục mở rộng số lượng transistor và dung lượng bộ nhớ HBM.
Đế kính có thể giúp đáp ứng nhu cầu này tốt hơn so với vật liệu hữu cơ truyền thống.
Cải thiện khả năng tản nhiệt
Nhiệt độ là một trong những thách thức lớn nhất của ngành AI hiện nay.
Các cụm GPU AI có thể tiêu thụ hàng trăm watt, thậm chí vượt ngưỡng 1.000W ở một số hệ thống tương lai.
Đế kính được đánh giá có khả năng kiểm soát biến dạng nhiệt tốt hơn, từ đó giúp tăng độ ổn định cho toàn bộ hệ thống.
Tăng chất lượng tín hiệu
Bên cạnh vấn đề nhiệt độ, đế kính còn hỗ trợ truyền tín hiệu tốc độ cao hiệu quả hơn.
Điều này rất quan trọng đối với:
- Bộ nhớ HBM thế hệ mới
- Giao tiếp giữa các chiplet
- Kết nối trong hệ thống AI quy mô lớn
Vì sao TSMC chưa thể sản xuất hàng loạt?
Thách thức trong quy trình sản xuất
Dù sở hữu nhiều ưu điểm, đế kính vẫn tồn tại không ít rào cản kỹ thuật.
Kính là vật liệu cứng nhưng khá giòn, khiến quá trình gia công trở nên phức tạp hơn nhiều so với vật liệu hữu cơ.
Việc khoan lỗ vi mô, tạo liên kết điện và xử lý hàng triệu kết nối trên bề mặt kính là nhiệm vụ không hề đơn giản.
Chi phí còn rất cao
Một vấn đề khác là giá thành.
Hiện nay, quy trình sản xuất đế kính vẫn đắt đỏ hơn đáng kể so với các giải pháp truyền thống.
Để triển khai ở quy mô hàng triệu sản phẩm mỗi năm, TSMC cần tiếp tục cải thiện tỷ lệ thành phẩm và tối ưu chi phí sản xuất.
Chuỗi cung ứng chưa sẵn sàng
Không chỉ riêng TSMC, toàn bộ hệ sinh thái bán dẫn cũng cần chuẩn bị cho sự chuyển đổi này.
Các nhà cung cấp vật liệu, thiết bị sản xuất và đóng gói đều phải đầu tư vào dây chuyền mới trước khi đế kính có thể trở thành tiêu chuẩn chung của ngành.
NVIDIA và cuộc đua chip AI là động lực lớn nhất
Chip AI ngày càng lớn
Các GPU AI mới của NVIDIA liên tục phá vỡ giới hạn truyền thống về kích thước và độ phức tạp.
Sự xuất hiện của các kiến trúc như Blackwell và các thế hệ kế tiếp đang khiến ngành đóng gói bán dẫn phải thay đổi để theo kịp nhu cầu phần cứng.
CoWoS trở thành “nút thắt cổ chai”
Trong nhiều năm qua, năng lực sản xuất CoWoS của TSMC thường xuyên không đáp ứng đủ nhu cầu từ khách hàng AI.
Điều này cho thấy đóng gói tiên tiến đang trở thành một trong những yếu tố quan trọng nhất của ngành bán dẫn hiện đại.
Khi nào đế kính sẽ xuất hiện trên sản phẩm thương mại?
Theo các nguồn tin trong ngành, đế kính nhiều khả năng chưa thể xuất hiện trên quy mô lớn trong vài năm tới.
TSMC hiện vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu và thử nghiệm nhằm giải quyết các thách thức về:
- Chi phí
- Độ bền
- Tỷ lệ thành phẩm
- Quy trình sản xuất
Điều đó đồng nghĩa các thế hệ GPU AI trong tương lai gần vẫn sẽ tiếp tục sử dụng các giải pháp đóng gói hiện tại.
Việc TSMC đầu tư vào đế kính cho CoWoS cho thấy ngành bán dẫn đang bước vào giai đoạn chuyển đổi mới nhằm đáp ứng nhu cầu khổng lồ từ AI. Với khả năng kiểm soát nhiệt tốt hơn, hỗ trợ chip kích thước lớn và cải thiện chất lượng tín hiệu, đế kính được xem là một trong những hướng phát triển đầy tiềm năng cho tương lai.
Tuy nhiên, từ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đến sản xuất hàng loạt vẫn là chặng đường dài. Dù chưa thể sớm thay thế vật liệu hữu cơ hiện nay, đế kính có thể trở thành nền tảng quan trọng cho các bộ xử lý AI thế hệ tiếp theo khi cuộc đua hiệu năng ngày càng khốc liệt.