CoWoS – công nghệ then chốt trong cuộc đua chip AI

Hồi tháng 3, TSMC – hãng gia công chip lớn nhất thế giới – công bố chi 100 tỷ USD để xây dựng nhà máy sản xuất bán dẫn tại Arizona (Mỹ). Đây là khoản đầu tư nước ngoài lớn nhất lịch sử công ty, nhưng cũng khiến nhiều bên chú ý.

Theo CNN, điểm thu hút của dự án không phải quy mô khoản tiền, mà liên quan đến công nghệ đóng gói tiên tiến CoWoS của TSMC. Thực tế, công nghệ đã quá quen thuộc ở Đài Loan, CEO AMD Lisa Su từng nói hòn đảo này là “nơi duy nhất bạn có thể nói CoWoS và mọi người đều hiểu”.

TSMC là hãng duy nhất có khả năng cung cấp giải pháp CoWoS trọn gói. Trong bối cảnh các công ty sản xuất chip AI khác chưa có sản phẩm đối trọng tương xứng, nó được xem là “điểm nghẽn”. Điều này tương tự công ty ASML của Hà Lan luôn là “nút thắt cổ chai” trong sản xuất bán dẫn khi là nhà cung cấp gần như duy nhất về máy quang khắc sử dụng tia siêu cực tím EUV. Khi xây tổ hợp nhà máy sản xuất chip trăm tỷ USD tại Arizona, TSMC cũng sẽ mang CoWoS sang nơi mới.

Đóng gói tiên tiến và CoWoS

“Tầm quan trọng của đóng gói tiên tiến cho chip AI rất cao”, CEO Nvidia Jensen Huang nói tại sự kiện Computex 2025 ở Đài Loan tháng trước. “Chúng ta cần có công nghệ và quy trình cực kỳ phức tạp để ghép nhiều chip lại thành một chip khổng lồ”.

Đóng gói là một quy trình của sản xuất chip bán dẫn. Với cách thông thường, các thành phần chip được “niêm phong” bên trong lớp vỏ bảo vệ. Từng chip như bộ xử lý đồ họa (GPU), bộ xử lý trung tâm (CPU), bộ nhớ băng thông cao (HBM)… được sản xuất riêng, khi sử dụng sẽ gắn riêng lẻ trên bo mạch và kết nối qua hệ thống truyền dẫn.

Đóng gói tiên tiến đề cập kỹ thuật phức tạp hơn, cho phép đưa nhiều chip hơn vào một “gói”. Chúng được đặt gần nhau, giúp hiệu suất tổng thể tốt hơn, truyền dữ liệu nhanh hơn và mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn.

Có thể hình dung cách đóng gói tiên tiến giống như các phòng trong một công ty. Phòng ban càng gần nhau, nhân viên càng mất ít thời gian di chuyển, qua đó việc trao đổi ý tưởng, thảo luận nhanh hơn, giúp hoạt động càng hiệu quả.

“Khi cố gắng đặt các chip càng gần nhau, nhà sản xuất có thể đưa ra những giải pháp khác nhau để tạo sự kết nối giữa các chip một cách dễ dàng”, Dan Nystedt, Phó chủ tịch công ty đầu tư tư nhân TrioOrient, nói.

Theo ông, công nghệ đóng gói tiên tiến đã trở thành yếu tố cực kỳ quan trọng khi làn sóng AI bùng nổ. Các ứng dụng AI đòi hỏi tính toán phức tạp, hạn chế chậm trễ hoặc trục trặc, và công nghệ mới giúp chip tăng tốc về hiệu suất.

Công nghệ đóng gói tiên tiến nhất hiện là CoWoS. Các chip AI của Nvidia, AMD đều đang được tạo ra dựa trên công nghệ này. “Hầu như bất kỳ ai thiết kế chip AI và đặt hàng TSMC sản xuất đều sử dụng CoWoS”, Nystedt nhận xét.

CoWoS kết hợp nhiều thành phần của một hệ thống trên một chip (SoC) để tăng hiệu suất và khả năng xử lý. Tên gọi CoWoS gồm hai phần: CoW là Chip-on-Wafer (xếp chồng chip lên tấm wafer) và WoS là Wafer-on-Substrate (gắn wafer vào đế mạch, giúp giảm không gian chip, tăng hiệu suất và hạ chi phí.

CoWoS nổi lên trong làn sóng chip AI, nhưng thực tế đã tồn tại hơn 15 năm. Đây là thành quả của nhóm kỹ sư do Chiang Shang-yi, từng là giám đốc vận hành của TSMC đến năm 2013, dẫn dắt. Ông lần đầu giới thiệu CoWoS vào năm 2009 với mục tiêu đưa càng nhiều bóng bán dẫn vào chip càng tốt, giải quyết tình trạng tắc nghẽn và tăng hiệu suất. Tuy nhiên, khi đó nó không được quan tâm do chi phí cao.

“Chúng tôi chỉ có một khách hàng. Tôi thực sự trở thành trò cười cho cả công ty. Rất nhiều áp lực đè nặng lên tôi”, Shang-yi kể với giới truyền thông tại Bảo tàng Lịch sử Máy tính ở Mountain View, California năm 2022.

Sự bùng nổ của AI đã thay đổi CoWoS, khiến nó trở thành một trong những công nghệ phổ biến. “Kết quả hiện tại vượt xa mong đợi của tôi”, Shang-yi nói với CNN.

Công nghệ này đã phát triển thành nhiều biến thể, mỗi phiên bản được tối ưu hóa cho nhu cầu về hiệu suất tính toán khác nhau. CoWoS-S là phiên bản đầu tiên, sử dụng bộ chuyển đổi silicon hợp nhất hệ thống; CoWoS-R được thiết kế để tăng cường hệ thống tích hợp và hiệu suất; CoWoS-L kết hợp ưu điểm của CoWoS-S và InFO (Integrated Fan-Out) – một công nghệ giúp tích hợp chip logic và chip nhớ gần nhau hơn – cho tốc độ truyền dữ liệu nhanh, hiệu quả và tiết kiệm năng lượng.

Ngoài chip AI, CoWoS cũng được ứng dụng trong lĩnh vực viễn thông và 5G, giúp tăng hiệu suất mạng của thiết bị, cải thiện tốc độ truyền dữ liệu và khả năng xử lý tín hiệu trong mạng, cũng như cho phép tích hợp nhiều thành phần tần số vô tuyến (RF), bộ xử lý tín hiệu (DSP) và tăng tốc độ mạng trên một module nhỏ gọn. Ở lĩnh vực xe tự lái, chip sản xuất trên công nghệ này giúp xử lý lượng lớn dữ liệu cảm biến và đưa ra quyết định theo thời gian thực. Trong điện toán đám mây, CoWoS tạo điều kiện phát triển các giải pháp bảo mật máy chủ cao cấp với hiệu suất tối ưu trên mỗi watt.

Mỹ hưởng lợi thế nào?

Theo giới chuyên gia, việc TSMC đưa CoWoS sang Mỹ sẽ giúp nước này hoàn thiện hai mảnh ghép: chế tạo tiên tiến – đóng gói tiên tiến. Khi đó, Mỹ có thể trở thành “điểm dừng chân duy nhất” ngoài đảo Đài Loan về sản xuất chip. Họ cũng tạo vị thế vững chắc hơn ở lĩnh vực phần cứng AI, mang lại lợi ích cho Apple, Nvidia, AMD, Qualcomm và Broadcom – những khách hàng lớn của TSMC.

“Mảnh ghép này đảm bảo Mỹ có chuỗi cung ứng hoàn chỉnh, từ sản xuất đến đóng gói tiên tiến, mang lại khả năng cạnh tranh của nước này trong lĩnh vực chip AI”, nhà phân tích Eric Chen của Digitimes Research nói.

Ở phía TSMC, việc đưa công nghệ mới sang Mỹ cũng giúp công ty giảm thiểu rủi ro tiềm ẩn. “Thay vì bỏ tất cả trứng vào một giỏ, CoWoS sẽ có mặt ở cả đảo Đài Loan và Mỹ, giúp TSMC cảm thấy an toàn và bảo mật hơn”, Nystedt nhận xét.

Trong khi đó, các công ty khác như Samsung và Intel cũng đang nghiên cứu giải pháp đóng gói tiên tiến tương tự CoWoS. Một số hãng Trung Quốc cũng tham gia cuộc đua với mô hình biến thể CoW+WoS sản xuất trong nước, nhưng được đánh giá còn hạn chế về năng lực.

Bảo Lâm (theo CNN, Digitmes, Tom’s Hardware)