Singapore tìm cách thu hẹp “thung lũng chết” trong nghiên cứu bán dẫn

Trong ngành bán dẫn, một thách thức lớn là đưa công nghệ từ phòng thí nghiệm vào sản xuất thực tế. Khoảng cách này được gọi là “thung lũng chết”, nơi nhiều kết quả nghiên cứu không thể vượt qua để trở thành sản phẩm thương mại.

KHOẢNG TRỐNG GIỮA NGHIÊN CỨU VÀ SẢN XUẤT

Theo thang đo mức độ sẵn sàng công nghệ (Technology Readiness Levels - TRL), các trường đại học và tổ chức nghiên cứu thường tập trung vào ba cấp độ đầu tiên (TRL 1-3), nhằm chứng minh một ý tưởng có khả năng hoạt động. Trong khi đó, các nhà sản xuất chủ yếu hoạt động ở cấp độ 7-9, tập trung vào tỷ lệ thành phẩm, chi phí và độ tin cậy khi sản xuất quy mô lớn.

Khoảng giữa, từ TRL 4 đến 6, là giai đoạn chuyển một ý tưởng đã được chứng minh thành quy trình có thể lặp lại và đáp ứng điều kiện sản xuất công nghiệp. Đây cũng là khoảng trống mà Singapore đang tìm cách giải quyết.

Giáo sư Ng Geok Ing, Giám đốc điều hành Trung tâm Chuyển giao và Đổi mới công nghệ Gallium Nitride quốc gia (NSTIC GaN), cơ sở hợp tác giữa Cơ quan Khoa học, Công nghệ và Nghiên cứu Singapore (A*STAR) và Đại học Công nghệ Nanyang (NTU), cho rằng đây là vấn đề lớn của ngành bán dẫn.

“Các trường đại học có rất nhiều ý tưởng nghiên cứu. Nhưng có bao nhiêu trong số đó thực sự đi được ra thị trường? Rất ít”, ông Ng nhận định.

Theo ông, các trường đại học thường dừng ở TRL 3 vì đó là phạm vi nghiên cứu chính. Trong khi đó, doanh nghiệp quan tâm đến khả năng mở rộng quy mô, độ ổn định của quy trình, tỷ lệ thành phẩm và chi phí. Vì vậy, các cấp độ 4-6 thường thiếu chủ thể đảm nhận.

NSTIC GaN được thành lập năm 2023, ban đầu mang tên Trung tâm Công nghệ Gallium Nitride quốc gia và chính thức hoạt động dưới tên hiện nay từ tháng 6/2025, với sự hỗ trợ của Quỹ Nghiên cứu quốc gia Singapore.

Mô hình này cũng được Singapore triển khai tại các trung tâm nghiên cứu về đóng gói tiên tiến và quang tử silicon, thuộc chương trình nghiên cứu bán dẫn quốc gia.

ĐƯA THIẾT BỊ SẢN XUẤT VÀO TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU

Một điểm đáng chú ý trong mô hình của Singapore là sử dụng thiết bị đạt tiêu chuẩn sản xuất công nghiệp ngay từ giai đoạn nghiên cứu, thay vì chỉ dựa vào thiết bị quy mô phòng thí nghiệm tại các trường đại học.

Giáo sư Yeo Yee Chia, Phó Tổng giám đốc phụ trách đổi mới và doanh nghiệp của A*STAR, đồng thời là Phó Chủ tịch điều hành Chương trình nghiên cứu, đổi mới và doanh nghiệp RIE2030 về bán dẫn của Singapore, cho biết trước đây, nghiên cứu thường được thực hiện trên thiết bị phục vụ mục đích học thuật.

Điều này khiến ngay cả khi đạt được đột phá, công nghệ vẫn phải trải qua một vòng phát triển mới trên thiết bị đủ tiêu chuẩn sản xuất trước khi chuyển giao cho nhà máy.

“Ngay cả khi có một đột phá, bước tiếp theo vẫn là phải thực hiện lại toàn bộ quá trình phát triển trên các thiết bị đạt tiêu chuẩn sản xuất”, ông Yeo nói.

Theo ông, nghiên cứu ngay trên thiết bị công nghiệp giúp rút ngắn quá trình chuyển giao. Khi công nghệ đạt kết quả tốt, doanh nghiệp có thể tiếp nhận mà không phải bắt đầu lại từ đầu. Tuy nhiên, việc này đòi hỏi đội ngũ chuyên gia có kiến thức sâu về vật liệu, thiết bị và quy trình sản xuất.

Tại NSTIC GaN, các thiết bị đều đạt tiêu chuẩn sản xuất công nghiệp, hệ thống kiểm tra được tự động hóa. Trung tâm hướng tới vận hành theo kỷ luật của một nhà máy bán dẫn.

“Chúng tôi cố gắng tạo ra môi trường gần với một nhà máy sản xuất nhất có thể. Khi có nhu cầu sản xuất quy mô lớn, công nghệ có thể dễ dàng chuyển sang các nhà máy chế tạo wafer lớn”, ông Ng cho biết.

Đáng chú ý, trung tâm không chỉ chế tạo wafer mà còn thực hiện đánh giá, chứng nhận chất lượng (qualification) để xác định quy trình có đủ độ tin cậy hay không. Đây là công đoạn thường ít được chú trọng trong môi trường nghiên cứu đại học.

Ông Ng gọi mô hình này là “foundry boutique”, tức cơ sở chế tạo quy mô nhỏ, tập trung vào nghiên cứu và phát triển thay vì sản xuất hàng loạt, với mục tiêu tạo ra những công nghệ mới tiên tiến hơn so với công nghệ đang được ngành công nghiệp sử dụng.

Ông Tan Yew Kong, Phó Chủ tịch cấp cao kiêm Tổng giám đốc hoạt động sản xuất khu vực châu Á - Thái Bình Dương và cơ sở Singapore của GlobalFoundries, cho biết doanh nghiệp cũng có đội ngũ nghiên cứu riêng và có thể thử nghiệm trên dây chuyền sản xuất. Tuy nhiên, khả năng dành công suất cho hoạt động này rất hạn chế.

Khi thị trường tăng trưởng mạnh, toàn bộ công suất đều cần được sử dụng để đáp ứng đơn hàng. Doanh nghiệp khó có thể dành một phần dây chuyền cho các thử nghiệm nghiên cứu.

“Bạn không thể cắt đi 20% công suất và nói rằng tôi muốn sử dụng phần đó để thử nghiệm. Chúng tôi không thể làm như vậy”, ông Tan nói.

Trong khi đó, các viện nghiên cứu có điều kiện linh hoạt hơn, có thể thay đổi thiết bị và quy trình theo từng dự án mà không ảnh hưởng đến hoạt động sản xuất thường xuyên.

Theo ông Tan, vấn đề không nằm ở năng lực nghiên cứu của doanh nghiệp. Nếu có đủ thời gian, GlobalFoundries hoàn toàn có thể tự thực hiện, nhưng doanh nghiệp không có đủ thời gian và dư địa công suất để triển khai các thử nghiệm cần thiết.

SÀNG LỌC CÔNG NGHỆ, ĐƯA KẾT QUẢ RA THỊ TRƯỜNG

Theo Giáo sư Yeo Yee Chia, quá trình phát triển bán dẫn giống như một chiếc phễu: số lượng ý tưởng ban đầu rất lớn nhưng chỉ một phần nhỏ vượt qua các vòng đánh giá để tiến tới sản xuất.

Ở giai đoạn đầu, các nhà nghiên cứu có thể xem xét khoảng 1.000 ý tưởng với mức đầu tư nhỏ. Khi bước vào các giai đoạn tiếp theo, số lượng giảm xuống còn khoảng 100. Nhiều dự án tiếp tục bị loại do chi phí, độ phức tạp hoặc không đáp ứng yêu cầu kỹ thuật. Cuối cùng, chỉ còn một số ít công nghệ có khả năng được đưa vào sản xuất.

“Làm thế nào để định lượng được việc có 999 ý tưởng thất bại và chỉ một ý tưởng thành công?”, ông Yeo đặt vấn đề, đồng thời cho rằng cần loại bỏ sớm những ý tưởng không khả thi để tránh lãng phí nguồn lực.

Chi phí đầu tư cũng tăng dần theo từng giai đoạn. Nếu thử nghiệm ban đầu không đòi hỏi nhiều vốn, việc phát triển công nghệ gần với sản xuất cần đầu tư lớn hơn để kiểm soát rủi ro, thiết bị và khả năng vận hành ở quy mô công nghiệp.

Một trường hợp thành công là Advanced Micro Foundry (AMF), doanh nghiệp quang tử silicon được A*STAR tách ra thành lập năm 2017. Tháng 11/2025, GlobalFoundries công bố thương vụ mua lại công ty này.

Theo ông Yeo, A*STAR đang có kế hoạch tiếp tục phát triển các doanh nghiệp spin-off từ kết quả nghiên cứu, đồng thời cấp phép công nghệ trực tiếp cho doanh nghiệp. Việc lựa chọn mô hình nào phụ thuộc vào tiềm năng thương mại hóa và khả năng phát triển doanh nghiệp. Spin-off có mức độ rủi ro cao hơn do cần đầu tư xây dựng công ty trước khi có thể chuyển nhượng.

Một hướng hợp tác khác được triển khai với STMicroelectronics. A*STAR đã đưa thiết bị nghiên cứu vào nhà máy của doanh nghiệp này để cùng phát triển công nghệ hệ thống vi cơ điện tử (MEMS). Đổi lại, STMicroelectronics cung cấp khả năng tiếp cận các thiết bị bổ trợ. Những công nghệ từ nền tảng hợp tác này dự kiến được triển khai trong vài năm tới.

Với lĩnh vực gallium nitride (GaN), NSTIC GaN đặt mục tiêu hoàn thành bộ công cụ thiết kế quy trình (PDK) cho wafer 6 inch vào tháng 1/2027 và đánh giá, chứng nhận quy trình vào giữa năm 2027. Công nghệ trên wafer 4 inch đã được chứng minh với khách hàng.

Trong số các đối tác của trung tâm có Rohde & Schwarz (Đức), hợp tác phát triển transistor GaN-on-SiC phục vụ ứng dụng sóng milimet trên 100 GHz. Theo ông Ng, nhu cầu đối với loại chip này dự kiến tăng trong khoảng 4 năm tới, trong khi nguồn cung sản phẩm hiện còn hạn chế.

Dù vậy, ông cũng thừa nhận GaN vẫn là lĩnh vực còn non trẻ so với những công nghệ bán dẫn khác tại Singapore. “Nếu nhìn vào GaN, công nghệ này vẫn còn rất non trẻ so với các lĩnh vực khác. Theo một nghĩa nào đó, chúng tôi vẫn đang cố gắng bắt kịp”, ông Ng nói.