Thời đại sức mạnh tính toán AI lớn, nhiều đối thủ tranh giành, ngành công nghiệp chip nội địa tiến công nhiều hướng, thúc đẩy đột phá nhanh chóng

Tờ Thời báo Chứng khoán: 王一鸣

Năng lực tính toán do AI tạo ra trở thành điểm khởi đầu để tái định hình ngành công nghiệp chip.

Trong những năm gần đây, do định luật Moore chậm lại và hiệu năng của một chip đơn lẻ khó đáp ứng nhu cầu bùng nổ về năng lực tính toán, giới công nghiệp toàn cầu đã phát triển thành hai con đường để vượt rào: đóng gói tiên tiến và tích hợp hệ thống theo mô hình siêu nút (super node). Trong bối cảnh này, các mắt xích trong toàn bộ chuỗi công nghiệp chip nội địa như EDA (tự động hóa thiết kế điện tử), đóng gói tiên tiến, thiết bị bán dẫn và công nghệ liên kết tốc độ cao đang tăng tốc bố trí chiến lược trong lĩnh vực năng lực tính toán từ AI.

Về xu hướng ngành trong nước, giám đốc bộ phận doanh nghiệp của Cẩm Mưu Nghiên Cứu (芯谋研究) là Vương Tiếu Long cho biết với phóng viên Tờ Thời báo Chứng khoán rằng: khi chiến lược tự chủ và kiểm soát được của ngành bán dẫn ở Trung Quốc được đẩy sâu, dù tiến trình công nghệ chế tạo bị hạn chế ở một mức độ nhất định, chuỗi công nghiệp trong nước vẫn có thể đi theo một lộ trình phát triển bán dẫn mang đặc sắc Trung Quốc thông qua “quy trình ở mức độ phù hợp + đóng gói tiên tiến + tối ưu hóa hệ thống và hệ sinh thái”. Điều này được kỳ vọng sẽ giảm các bất lợi mang tính cấu trúc và rủi ro mang tính hệ thống mà Trung Quốc phải đối mặt trong cuộc cạnh tranh về AI và điện toán tiên tiến ở vòng mới.

Cạnh tranh EDA chuyển sang tích hợp cấp hệ thống

Với tư cách là lớp trên cùng trong chuỗi công nghiệp chip, những người làm trong lĩnh vực EDA cảm nhận rất sâu xu hướng tái thiết kế chip dưới tác động của AI.

“Đi từ nhiều chiplet (đa chip nhỏ) sang siêu nút, độ phức tạp ở cấp hệ thống là chưa từng có. Trong lĩnh vực phần cứng AI, thứ mà khách hàng phải đối mặt không còn là thách thức thiết kế chỉ cho một chip đơn lẻ, mà là rủi ro mang tính hệ thống do Chiplet với đóng gói tiên tiến, tích hợp dị cấu trúc, bộ nhớ băng thông cao, liên kết siêu tốc, mạng điện nguồn hiệu quả và kiến trúc trung tâm dữ liệu AI mang lại. Trong đó gồm: do cân nhắc không thỏa đáng cho tản nhiệt, khiến toàn bộ máy bị quá nhiệt cong vênh; do khiếm khuyết trong thiết kế mạng điện nguồn, khiến tại chỗ kết nối của đóng gói bị đứt cầu chì khi tải cao; do thiếu góc nhìn về quản lý tín hiệu ở cấp hệ thống, khiến việc gia công wafer tốn hàng chục triệu USD sau khi lắp ráp xong không thể bật sáng như mong đợi…” Người sáng lập kiêm Chủ tịch của công ty bán dẫn & chip là Lăng Phong đã nói tại một buổi ra mắt gần đây.

Lăng Phong cho rằng, để giải quyết các vấn đề nêu trên, các nhà cung cấp EDA cần xây dựng triết lý “Tích hợp và phối hợp cấp hệ thống (STCO)”, thực hiện thiết kế phối hợp trong tính toán, mạng, cấp nguồn, làm mát và cấu trúc hệ thống.

Ba “ông lớn” EDA trên toàn cầu đã dùng tiền thật để sáp nhập và chứng minh xu hướng của ngành. Năm 2025, Synopsys mua lại Ansys, công ty mô phỏng EDA lớn nhất toàn cầu, với giá 35 tỷ USD, qua đó bổ sung năng lực mô phỏng đa vật lý và tăng cường khả năng phân tích đầu-cuối từ chip đến hệ thống.

Các nhà sản xuất chip AI trong nước cũng tích cực bố trí và đầu tư ở cấp hệ sinh thái. Phó Tổng giám đốc cấp cao kiêm Giám đốc sản phẩm của công ty Muxi (沐曦), Tôn Quốc Lương, tại diễn đàn SEMICON vừa qua cho biết: Muxi xây dựng một ma trận sản phẩm GPU hoàn chỉnh dựa trên kiến trúc tự nghiên cứu thống nhất, bao phủ các kịch bản như huấn luyện AI, suy luận, kết xuất đồ họa, trí tuệ khoa học,… Đồng thời, bộ ngăn xếp phần mềm tự nghiên cứu đi kèm tương thích toàn diện với hệ sinh thái phổ biến và chủ động thúc đẩy xây dựng hệ sinh thái mã nguồn mở.

Theo Vương Tiếu Long, hệ sinh thái phần mềm tốt đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao hiệu suất sử dụng của phần cứng; điều này sẽ thúc đẩy chip AI nội địa từ “thay thế để dùng được” sang “tự chủ và dùng tiện”. Ví dụ, phía sau việc các mô hình ngôn ngữ lớn nội địa như DeepSeek, Qianwen… “bùng nổ ra mắt công chúng”, là việc chip AI nội địa đã cải thiện rất lớn về hiệu suất sử dụng.

Cốt lõi kỹ thuật: tăng sức mạnh tính toán nhờ lai ghép dây dẫn hỗn hợp (hybrid bonding)

Ở lớp phần cứng, trong kỷ nguyên năng lực tính toán lớn của AI, khi một chip đơn lẻ gặp ba nút thắt công suất tiêu thụ (power), diện tích (area) và tỷ lệ thành phẩm (yield), thì đóng gói tiên tiến đã trở thành “chất mang định luật Moore” mới. Lấy CoWoS của TSMC làm ví dụ: mỗi thế hệ lại tích hợp nhiều GPU hơn, HBM (bộ nhớ băng thông cao) dung lượng lớn hơn và liên kết mạnh hơn. Hiện nay, các “đại gia” chip AI như Nvidia và AMD đều đã đạt được mức tăng năng lực tính toán của chip AI theo các cấp bậc khác nhau thông qua công nghệ đóng gói tiên tiến.

Tại diễn đàn SEMICON năm nay, giám đốc phụ trách thị trường của mảng gia công (foundry) thuộc Công ty Cổ phần Khuôn đúc mạch tích hợp Vũ Hán Tân Tinh (武汉新芯集成电路股份有限公司) là Guo Xiaochao đã nói về xu hướng mới nhất của ngành. Ông cho biết: thị trường đóng gói tiên tiến, đặc biệt là lĩnh vực 2.5D/3D, đang mở rộng nhanh chóng; các giải pháp chủ đạo trong ngành đã tiến từ CoWoS-S sang CoWoS-L, SoW và 3.5D XDSiP. Quy mô tích hợp tiếp tục được mở rộng; lai ghép dây dẫn hỗn hợp là chìa khóa để đạt liên kết mật độ cao, đồng thời cũng là kỹ thuật cốt lõi để nâng cao năng lực tính toán. Không chỉ cần đột phá về quy trình, mà còn cần sự hợp tác đồng thời về phương pháp thiết kế, vật liệu và thiết bị.

Ở tầng thiết bị nội địa, Bắc Phương Hoa Sáng (北方华创) gần đây đã công bố thiết bị lai ghép dây dẫn hỗn hợp cho wafer chip 12 inch-đến-wafer (D2W). Theo thông tin, thiết bị này tập trung vào các yêu cầu giới hạn của việc lai ghép liên kết chip cho toàn bộ lĩnh vực ứng dụng 3D như SoC, HBM và Chiplet. Thiết bị vượt qua các thách thức then chốt như nhặt/thu nhặt không tổn hại đối với chip siêu mỏng mức micromet, căn chỉnh siêu chính xác mức nano và lai ghép ổn định chất lượng cao không tạo rỗng; đồng thời đạt được sự cân bằng tối ưu hơn giữa độ chính xác căn chỉnh cấp nano của chip và năng suất lai ghép tốc độ cao, trở thành doanh nghiệp đầu tiên trong nước hoàn thành xác minh quy trình ở phía khách hàng đối với thiết bị D2W lai ghép dây dẫn hỗn hợp.

Công ty Tupu (拓荆科技) cũng tại diễn đàn SEMICON đã giới thiệu dòng sản phẩm 3D IC, bao gồm nhiều sản phẩm mới như lai ghép nung chảy (melt bonding), bóc tách bằng laser,… Trọng điểm tập trung vào các ứng dụng liên quan đến tích hợp dị cấu trúc Chiplet, xếp chồng ba chiều và HBM.

Trong những năm gần đây, thiết bị lai ghép dây dẫn hỗn hợp đã trở thành một phân khúc có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất trong ngành thiết bị bán dẫn. Công ty tư vấn thị trường Yole dự đoán rằng, đến năm 2030, quy mô thị trường toàn cầu của nó sẽ vượt 1,7 tỷ USD; trong đó, tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) của thiết bị D2W lai ghép dây dẫn hỗn hợp được dự báo lên tới 21%.

Tuy nhiên, một số lãnh đạo phụ trách thiết bị bán dẫn cỡ lớn cũng cho biết: dù thị trường thiết bị lai ghép dây dẫn hỗn hợp đang tăng trưởng nhanh, thì cũng phải đối mặt với các thách thức như độ chính xác căn chỉnh, môi trường sạch và khả năng chứa/cho phép cong vênh. Đồng thời, trong các bối cảnh ứng dụng khác nhau, lựa chọn vật liệu ở giao diện lai ghép cũng có sự khác biệt: tổ hợp vật liệu điện môi như SiCN (vật liệu vô định hình) với đồng (Cu) có ưu nhược điểm riêng; hình thái bề mặt, kiểm soát hạt và độ cong vênh của wafer trực tiếp ảnh hưởng đến tỷ lệ thành phẩm của mối lai ghép. Tích hợp ba chiều phụ thuộc vào sự hợp tác toàn lực của ngành.

Bạch thư hệ thống kỹ thuật siêu nút được công bố

Một lối đi đột phá khác để mở rộng năng lực tính toán AI là tích hợp hệ thống theo mô hình siêu nút. Thông qua công nghệ liên kết tốc độ cao, các đơn vị tính toán từ siêu nút cấp đơn (single-node) và cấp tủ rack (vài trăm AI chip) được mở rộng lên siêu nút cấp cụm (cluster-level) (hàng chục triệu AI chip). Sự kết hợp giữa siêu nút với đóng gói tiên tiến tạo ra “siêu máy tính” được cấu thành từ vô số chip AI, HBM, mạng liên kết tốc độ cao và hệ thống tản nhiệt làm mát bằng chất lỏng.

Các “đại gia” trong nước cũng có đổi mới và triển khai ở lĩnh vực siêu nút. Ngày 26 tháng 3, Công ty Xu (中科曙光) tại Hội nghị thường niên diễn đàn Vùng Trung Quan (中关村论坛) đã giới thiệu siêu nút scaleX40 dạng hộp không dây đầu-cuộn (wireless cable reel), được cho là siêu nút đầu tiên trên thế giới. Theo giới thiệu, các siêu nút truyền thống phụ thuộc vào liên kết giữa các sợi quang (fiber) và cáp đồng, nhìn chung có các điểm đau như chu kỳ triển khai dài, độ phức tạp vận hành và bảo trì cao, và nhiều điểm lỗi. scaleX40 áp dụng kiến trúc liên kết trực tuyến cấp một dạng cáp không dây theo nguyên lý trực giao (orthogonal), giúp cho các node tính toán và node chuyển mạch (switching) có thể cắm trực tiếp, từ gốc rễ loại bỏ suy hao hiệu năng và rủi ro vận hành do cáp gây ra.

scaleX40 tích hợp 40 GPU cho mỗi node đơn; tổng năng lực tính toán vượt 28 PFlops; tổng dung lượng hiển thị HBM hơn 5TB; băng thông tổng cho truy cập bộ nhớ (memory access) vượt 80TB/s, tạo thành các đơn vị tính toán mật độ cao, đáp ứng nhu cầu huấn luyện và suy luận của các mô hình lớn quy mô hàng nghìn tỷ tham số.

Ông Lý Bân (李斌), Phó Tổng giám đốc cấp cao của Trung Khoa Xu (中科曙光), cho biết: ý nghĩa của scaleX40 không chỉ là nâng hiệu năng, mà còn là tái cấu trúc logic giao hàng năng lực tính toán, thúc đẩy năng lực tính toán từ “xây dựng theo dạng công trình” sang “cung cấp theo hướng sản phẩm”, từ đó hạ đáng kể ngưỡng sử dụng và chi phí triển khai của năng lực tính toán cao cấp.

Ở cấp độ ngành, ngày 29 tháng 3, “Bạch thư Hệ thống kỹ thuật siêu nút” (sau đây gọi là “bạch thư”) do Phòng thí nghiệm AI Thượng Hải (上海人工智能实验室) phối hợp với các công ty trong chuỗi công nghiệp AI như 奇异摩尔, 沐曦 và 阶跃星辰… hoàn thành, đã chính thức được công bố. Bạch thư nhằm mục tiêu hỗ trợ triển khai quy mô lớn siêu nút, giải quyết các vấn đề trọng điểm như khó phối hợp dị cấu trúc, hiệu suất điều độ xuyên miền thấp và triển khai theo hướng kỹ thuật (engineering) phức tạp, đồng thời cung cấp hướng dẫn lý thuyết từ góc độ thực tiễn của ngành.

奇异摩尔 cho rằng, giá trị của siêu nút trong tương lai sẽ thể hiện nhiều hơn ở việc liệu có thể tổ chức các tài nguyên hệ thống gồm tính toán, lưu trữ, kết nối, điều độ và tài nguyên thời gian chạy (runtime) thành một đơn vị hệ thống phối hợp thống nhất hay không; đồng thời ở quy mô lớn hơn vẫn duy trì được băng thông cao, độ trễ thấp, hiệu suất sử dụng cao và khả năng mở rộng bền vững. Siêu nút không còn chỉ là “tổ hợp thêm nhiều chip tăng tốc”, mà là một đơn vị kiến trúc mới quyết định liệu hệ thống có thể duy trì phối hợp hiệu quả trong điều kiện quy mô lớn hay không.