Bồn cầu, mì chính cứu thế giới chip trong kỷ nguyên AI

Các nghiên cứu của Tập đoàn Tư vấn Boston, đơn vị tư vấn chiến lược hàng đầu thế giới có trụ sở ở Mỹ, và Hiệp hội Công nghiệp Bán dẫn Mỹ đều chỉ ra rằng, Nhật Bản chiếm tỷ trọng áp đảo trong nhiều phân khúc vật liệu bán dẫn then chốt, từ tấm bán dẫn (wafer) silicon, hóa chất siêu tinh khiết đến vật liệu đóng gói cao cấp. Đây không phải là những lĩnh vực tạo ra hào quang truyền thông, nhưng lại là nền tảng mà toàn bộ ngành chip, trí tuệ nhân tạo (AI) phải dựa vào.

Ở trung tâm của nghịch lý này là Ajinomoto. Thương hiệu quen thuộc với mì chính lại chính là nhà sản xuất gần như độc quyền vật liệu ABF (Ajinomoto Build-up Film), một thành phần không thể thiếu trong công nghệ đóng gói chip cao cấp. Theo nhiều báo cáo ngành được Nikkei và Bloomberg trích dẫn, Ajinomoto đang nắm khoảng 90% thị phần ABF cao cấp toàn cầu.

Từ mì chính đến công nghệ vật liệu

Ajinomoto nổi tiếng với mì chính (monosodium glutamate - MSG), nhưng cốt lõi của họ không chỉ là thực phẩm mà là công nghệ hóa học lên men và xử lý axit amin. Trong quá trình sản xuất mì chính, họ phải tinh chế các hợp chất hữu cơ với độ tinh khiết cực cao, kiểm soát phản ứng hóa học ở cấp độ phân tử, phát triển vật liệu polymer và nhựa phục vụ sản xuất. Những năng lực này lại trùng khớp đáng ngạc nhiên với yêu cầu của ngành bán dẫn, nơi vật liệu phải cực kỳ tinh khiết, ổn định và chính xác.

ABF là một loại vật liệu cách điện dạng màng mỏng, được dùng trong đế chip (substrate) - phần trung gian kết nối chip với bo mạch. Nếu ví chip là “bộ não”, thì ABF nằm trong lớp “hệ thần kinh” giúp truyền tín hiệu tốc độ cao, tản nhiệt, đảm bảo độ ổn định điện. Các chip hiện đại của những công ty như Intel, AMD hay NVIDIA đều phụ thuộc rất lớn vào ABF.

Có 3 yếu tố chính giúp Ajinomoto sản xuất được ABF mà các công ty khác khó cạnh tranh. Một là, công ty có nền tảng hóa học tích lũy hàng chục năm, đã nghiên cứu polymer và vật liệu từ lâu để phục vụ thực phẩm và dược phẩm. Khi chuyển sang ABF, họ không bắt đầu từ con số 0.

Hai là, công nghệ độc quyền và bí quyết quy trình. ABF không chỉ là công thức, mà còn là quy trình phủ màng, kiểm soát độ giãn nở nhiệt, độ bám dính và độ ổn định điện. Những thứ này cực khó sao chép, tạo ra lợi thế gần như độc quyền.

Ba là, thị trường rất ngách nhưng cực kỳ quan trọng. Không nhiều công ty đủ khả năng đầu tư vào loại vật liệu chuyên sâu này. Kết quả là Ajinomoto gần như thống trị thị trường ABF toàn cầu trong nhiều năm.

Trong giai đoạn thiếu chip toàn cầu (2020-2023), một điểm nghẽn lớn lại nằm ở ABF. Điều này khiến nhiều người bất ngờ khi một công ty thực phẩm lại trở thành nút thắt chiến lược của ngành bán dẫn, chuỗi cung ứng chip phụ thuộc vào những mắt xích ít ai ngờ tới.

Gốm kỹ thuật và lớp phủ đặc biệt đến từ TOTO

Ở một góc khác của chuỗi cung ứng, TOTO, cái tên gắn liền với thiết bị vệ sinh, lại đại diện cho một dạng quyền lực khác, ít được chú ý nhưng không kém phần quyết định.

Trong các nhà máy bán dẫn, nước siêu tinh khiết là yếu tố sống còn. Theo tài liệu kỹ thuật của Intel và các phân tích của công ty tư vấn quản lý chiến lược hàng đầu thế giới McKinsey & Company (Mỹ), một nhà máy chế tạo chất bán dẫn (fab) hiện đại có thể tiêu thụ hàng chục nghìn mét khối nước mỗi ngày, và nước này phải đạt độ tinh khiết cao đến mức gần như không chứa bất kỳ ion hay vi sinh vật nào.

Để duy trì tiêu chuẩn đó, toàn bộ hệ thống dẫn nước, bề mặt tiếp xúc và vật liệu cấu thành phải hoàn toàn trơ về mặt hóa học. Các doanh nghiệp Nhật Bản, trong đó có TOTO, đã phát triển các loại gốm kỹ thuật và lớp phủ đặc biệt có khả năng chống ăn mòn, không phát sinh tạp chất và duy trì độ ổn định trong môi trường hóa chất khắc nghiệt.

Theo các báo cáo ngành do Deloitte tổng hợp, Nhật Bản chiếm tỷ trọng lớn trong các vật liệu và thiết bị liên quan xử lý nước siêu sạch cho bán dẫn, một lĩnh vực có rào cản kỹ thuật cực cao.

Độ tinh khiết và độ ổn định ở mức cực đoan

Quyền lực của Nhật Bản không dừng lại ở những ví dụ riêng lẻ. Shin-Etsu Chemical cùng SUMCO đang kiểm soát khoảng một nửa thị phần wafer silicon toàn cầu, theo dữ liệu từ Hiệp hội Quốc tế về thiết bị và vật liệu bán dẫn (SEMI).

Trong khi đó, các công ty như Tokyo Ohka Kogyo và JSR chiếm hơn 50% thị phần chất cản quang - vật liệu quyết định độ chính xác của quá trình khắc mạch ở cấp độ nanomet. Những con số này cho thấy một thực tế rõ ràng: ở nhiều khâu nền tảng, thế giới gần như không có lựa chọn thay thế ngoài các nhà cung cấp Nhật Bản.

Nguyên nhân của sự thống trị này không nằm ở quy mô thị trường, mà ở bản chất đặc thù của công nghệ. Các vật liệu bán dẫn yêu cầu độ tinh khiết và độ ổn định ở mức cực đoan, nơi sai số được tính bằng phần tỷ.

Việc phát triển một sản phẩm đạt tiêu chuẩn không chỉ đòi hỏi vốn đầu tư lớn, mà còn cần hàng chục năm tích lũy kinh nghiệm và cải tiến liên tục. Các báo cáo của Tập đoàn Tư vấn Boston nhấn mạnh rằng, nhiều phân khúc vật liệu bán dẫn có rào cản gia nhập cao đến mức gần như không xuất hiện đối thủ mới trong nhiều thập kỷ.

Hơn nữa, chuỗi cung ứng bán dẫn có tính “khóa chặt” rất cao. Một khi một vật liệu đã được chứng nhận và tích hợp vào quy trình sản xuất của các hãng như TSMC hay Samsung Electronics, việc thay đổi nhà cung cấp trở thành một quyết định rủi ro lớn, có thể ảnh hưởng đến toàn bộ sản lượng. Điều này khiến các nhà cung cấp hiện tại càng củng cố vị thế độc quyền của mình.

Trong bối cảnh AI bùng nổ, sự phụ thuộc này không những không giảm mà còn gia tăng. Khi ngành công nghiệp tiến tới các tiến trình 3nm, 2nm và xa hơn nữa, yêu cầu đối với vật liệu, hóa chất và môi trường sản xuất ngày càng khắt khe. Điều đó đồng nghĩa với việc vai trò của ABF, nước siêu tinh khiết, wafer silicon và các vật liệu cản quang ngày càng trở nên then chốt.

Tầm quan trọng của wafer silicon

Tấm wafer silicon là nền tảng vật lý của mọi con chip điện tử hiện đại - từ bộ xử lý trung tâm (CPU), GPU đến chip AI. Wafer silicon là một tấm đĩa tròn (đường kính phổ biến 200-300mm), rất mỏng (dày 0,5-1 mm), làm từ silicon tinh khiết gần như tuyệt đối (99,999999999%). Bề mặt wafer silicon được đánh bóng mịn ở cấp độ nguyên tử.

Trên một tấm wafer, người ta sẽ “in” lên hàng trăm đến hàng nghìn con chip. Sau đó, cắt ra thành từng chip riêng lẻ. Nếu ví chip là “tòa nhà”, thì wafer chính là mảnh đất nền để xây dựng.

Quy trình sản xuất wafer cực kỳ phức tạp: Từ cát (SiO₂) đến tinh luyện thành silicon siêu tinh khiết; Nung chảy và kéo thành khối tinh thể đơn; Cắt thành từng lát mỏng (wafer); Đánh bóng đến mức gần như hoàn hảo.

Toàn bộ ngành bán dẫn phụ thuộc vào wafer vì đây là nền để xây dựng transistor, quyết định chất lượng và hiệu suất chip; chỉ cần một lỗi cực nhỏ cũng có thể làm hỏng cả con chip. Các công ty Nhật Bản như Shin-Etsu Chemical (nhà sản xuất hóa chất) hay SUMCO (nhà sản xuất wafer silicon) đang kiểm soát phần lớn thị trường wafer toàn cầu, cho thấy đây là một “nút thắt cổ chai” quan trọng.

Các chip AI hiện đại có hàng chục tỷ transistor, được sản xuất trên tấm wafer silicon cực kỳ hoàn hảo. Nếu không có wafer chất lượng cao thì sẽ không có chip mạnh, dẫn tới không có AI hiện đại.