Trong cuộc cạnh tranh sức mạnh tính toán trí tuệ nhân tạo, một mắt xích vốn được định giá thấp từ lâu - bao bì chip tiên tiến - đang nhanh chóng phát triển thành một nút thắt cổ chai mới. Hiện nay, hầu hết tất cả các chip dùng cho điện toán trí tuệ nhân tạo đều phải được đóng gói trước khi có thể cài đặt vào các hệ thống phần cứng như máy chủ, ô tô, robot để tương tác với thế giới bên ngoài. Tuy nhiên, quy trình then chốt này hiện tập trung nhiều ở châu Á và vấn đề năng lực sản xuất eo hẹp ngày càng trở nên nổi bật.

Với việc TSMC có kế hoạch xây dựng hai nhà máy đóng gói tiên tiến mới ở Arizona, Hoa Kỳ và Elon Musk chọn Intel để cung cấp dịch vụ đóng gói cho dự án chip tùy chỉnh của mình, mối liên kết này trong chuỗi ngành trước đây được coi là "quy trình back-end" lần đầu tiên đã trở thành tâm điểm chú ý. John Vervey thuộc Trung tâm An ninh và Công nghệ mới nổi tại Đại học Georgetown đã chỉ ra rằng nếu các công ty không tăng đáng kể chi phí vốn trước, thì việc đóng gói tiên tiến "sẽ nhanh chóng phát triển thành nút thắt cổ chai" để đáp ứng với việc mở rộng sản xuất tấm wafer trong vài năm tới.

Trong một cuộc phỏng vấn hiếm hoi với CNBC, Paul Russo, người đứng đầu bộ phận giải pháp đóng gói Bắc Mỹ của TSMC, cho biết hoạt động kinh doanh liên quan đến công nghệ đóng gói tiên tiến nhất của công ty "đang tăng trưởng với tốc độ rất ấn tượng". Hiện tại, quy trình đóng gói tiên tiến nhất của TSMC trong sản xuất hàng loạt là "Chip on wafer on Substrate" (CoWoS). Russo tiết lộ rằng hoạt động kinh doanh này đang mở rộng với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm khoảng 80%.

Trong lĩnh vực có nhu cầu mạnh nhất này, gã khổng lồ trí tuệ nhân tạo Nvidia đã đặt hầu hết năng lực sản xuất CoWoS tiên tiến nhất của TSMC, biến TSMC trở thành khách hàng nặng ký của xưởng đúc hàng đầu Đài Loan trong lĩnh vực đóng gói tiên tiến. Tuy nhiên, xét về năng lực kỹ thuật, nhà sản xuất chip Intel của Mỹ đã đủ sức cạnh tranh với TSMC.

Intel đã cam kết phát triển hoạt động kinh doanh đúc của mình trong những năm gần đây, nhưng hãng vẫn thiếu một "khách hàng lớn mang tính biểu tượng" trong lĩnh vực sản xuất chip OEM với các quy trình tiên tiến nhất dành cho khách hàng bên ngoài. Ngược lại, họ đã có một số khách hàng trong lĩnh vực kinh doanh bao bì, bao gồm Amazon và Cisco, đồng thời đã cung cấp các dịch vụ đóng gói tiên tiến cho khách hàng bên ngoài kể từ năm 2022. Vào thứ Ba, Musk đã tăng cường hợp tác sâu sắc hơn với Intel và thông báo rằng Intel sẽ cung cấp dịch vụ đóng gói cho các chip tùy chỉnh do SpaceX, xAI và Tesla sản xuất trong nhà máy "Terafab" đã được lên kế hoạch ở Texas. Nhà máy đặt mục tiêu cung cấp chip tương đương 1 terawatt sức mạnh tính toán mỗi năm để hỗ trợ sự phát triển của AI.

Hiện tại, hầu hết các quy trình đóng gói cuối cùng của Intel đều được đặt tại Việt Nam, Malaysia và Trung Quốc, trong khi các nhà máy ở New Mexico, Oregon và Chandler, Arizona, thực hiện một phần quy trình đóng gói tiên tiến nhất của Intel. Khi các yêu cầu về mật độ chip, hiệu suất và hiệu quả sử dụng năng lượng trong các ứng dụng AI tiếp tục tăng lên, “Định luật Moore”, vốn dựa vào việc thu nhỏ các bóng bán dẫn để tăng sức mạnh tính toán, đang tiến đến giới hạn vật lý. Ngành công nghiệp đã bắt đầu coi bao bì tiên tiến là con đường công nghệ then chốt để mở rộng Định luật Moore theo "chiều thứ ba".

Trong vài thập kỷ qua, ngành công nghiệp thường cắt toàn bộ tấm wafer thành các chip riêng lẻ (khuôn), đóng gói chúng riêng biệt và kết nối chúng với các hệ thống đầu cuối như máy tính, điện thoại di động và ô tô thông qua các chất nền. Khi độ phức tạp của các chip điều khiển bằng trí tuệ nhân tạo tăng vọt, các phương pháp đóng gói phức tạp hơn đã nhanh chóng xuất hiện trong 5 hoặc 6 năm qua: nhiều chip logic và chip nhớ băng thông cao không còn được đóng gói riêng biệt nữa mà được tích hợp vào một chip cấp hệ thống lớn hơn, chẳng hạn như GPU. Nhiệm vụ cốt lõi của đóng gói tiên tiến là kết nối các chip khác nhau này với mật độ cao trong cùng một hệ thống đóng gói và đảm bảo liên lạc hiệu quả giữa chúng và các hệ thống bên ngoài.

Nhà phân tích chip Patrick Moorhead nhớ lại rằng khoảng 5 hoặc 6 năm trước, rất ít nhà sản xuất áp dụng quy mô đóng gói tiên tiến như vậy. Vào thời điểm đó, quy trình đóng gói thường được coi là “quy trình sau thực tế” và thậm chí còn được giao cho các kỹ sư ít kinh nghiệm hơn. Ông nói, giờ đây, bao bì “rõ ràng cũng quan trọng như chính con chip”.

Trong phân khúc CoWoS hiện đang thu hút sự chú ý nhất của thị trường, Nvidia được tiết lộ đã nắm giữ hầu hết năng lực sản xuất hàng đầu của TSMC, khiến TSMC phải gia công một số quy trình tương đối đơn giản cho các công ty bên thứ ba, bao gồm cả các công ty đúc thử nghiệm và đóng gói chip lớn nhất thế giới ASE và Amkor. ASE kỳ vọng doanh thu kinh doanh bao bì tiên tiến sẽ tăng gấp đôi vào năm 2026 và sẽ xây dựng một nhà máy mới quy mô lớn tại Đài Loan. Công ty con SPIL của nó cũng đã mở một cơ sở đóng gói mới. Giám đốc điều hành NVIDIA Huang Renxun đích thân tham dự lễ cắt băng khánh thành.

Đối mặt với nhu cầu ngày càng tăng, TSMC đang tăng tốc xây dựng hai nhà máy đóng gói mới tại Đài Loan và xây dựng hai nhà máy đóng gói tiên tiến ở Arizona, Hoa Kỳ. Hiện tại, ngay cả những con chip được sản xuất tại nhà máy wafer tiên tiến của TSMC ở Phoenix vẫn cần được vận chuyển trở lại Đài Loan để đóng gói trước khi chuyển đến khách hàng, điều đó có nghĩa là những con chip này cần phải “đi qua lại” giữa Hoa Kỳ và châu Á. TSMC vẫn chưa công bố thông tin về thời điểm nhà máy đóng gói ở Mỹ của họ sẽ được đưa vào hoạt động.

Jan Vardaman, một nhà nghiên cứu có uy tín trong lĩnh vực đóng gói tại TechSearch International, cho biết rằng việc bố trí năng lực sản xuất bao bì ngay cạnh nhà máy sản xuất tấm wafer ở Arizona sẽ rút ngắn đáng kể chu kỳ giao hàng và tránh việc vận chuyển chip qua lại giữa châu Á và Hoa Kỳ, điều này sẽ cải thiện đáng kể sự hài lòng của khách hàng. Intel cũng đã triển khai một số hoạt động đóng gói gần nhà máy sản xuất chip xử lý 18A tiên tiến của mình ở Arizona để hình thành một sơ đồ tích hợp giữa sản xuất và đóng gói.

Mặc dù Intel vẫn chưa giành được "khách hàng lớn mang tính biểu tượng" tại xưởng đúc wafer 18A, Mark Gardner, người đứng đầu bộ phận dịch vụ đúc của họ, cho biết kể từ năm 2022, công ty đã cung cấp đều đặn các dịch vụ đóng gói cho các khách hàng bao gồm Amazon và Cisco. Mặt khác, Nvidia cũng đang khám phá việc sử dụng khả năng đóng gói của Intel, lặp lại khoản đầu tư 5 tỷ USD trước đây vào Intel và khoản đầu tư 8,9 tỷ USD của chính phủ Hoa Kỳ vào Intel vào năm 2025. Moorehead tin rằng các công ty chip muốn cho chính phủ Hoa Kỳ thấy rằng họ sẵn sàng hợp tác với Intel và sự hợp tác thông qua kinh doanh bao bì có rủi ro thấp hơn so với việc trực tiếp bàn giao sản xuất wafer cho Intel.

Khi được hỏi liệu cuối cùng Intel có thể giành được những khách hàng nặng ký trong lĩnh vực sản xuất chip thông qua "cửa phụ" của bao bì tiên tiến hay không, Gardner nói rằng đối với một số khách hàng, bao bì tiên tiến "không tạo thành một con đường gia nhập". Theo quan điểm của ông, dịch vụ “một cửa” tích hợp thiết kế, sản xuất và đóng gói ở một nơi có thể mang lại nhiều lợi thế.

Musk dự kiến ​​sẽ trở thành một trong những khách hàng sớm áp dụng hoàn toàn công nghệ Intel trong cả sản xuất và đóng gói chip. Intel đã đưa ra một tuyên bố trên LinkedIn trong tuần này nói rằng công ty có khả năng "thiết kế, sản xuất và đóng gói chip hiệu suất cực cao" trên quy mô lớn và sẽ giúp dự án Terafab của Musk đạt được mục tiêu đầy tham vọng là sản xuất 1 terawatt năng lực điện toán AI mỗi năm.

Trên con đường phát triển công nghệ, ngành đang chuyển từ bao bì hai chiều truyền thống sang bao bì 2.5D phức tạp hơn và thậm chí cả 3D. Đối với các chip truyền thống như CPU, việc đóng gói hai chiều vẫn là xu hướng chủ đạo, nhưng đối với các chip điện toán có độ phức tạp cao như GPU, các giải pháp đóng gói tiên tiến như CoWoS của TSMC đã trở thành chìa khóa. Theo kiến ​​trúc 2.5D, các chip được kết nối chặt chẽ hơn thông qua một lớp "bộ chuyển đổi" được kết nối mật độ cao và bộ nhớ băng thông cao (HBM) có thể bao quanh chip điện toán, do đó giảm bớt đáng kể vấn đề "tường bộ nhớ" ở cấp hệ thống.

Russo giải thích rằng vì rất khó để nhét đủ bộ nhớ vào một chip điện toán duy nhất để phát huy hết sức mạnh tính toán của nó nên TSMC đã ra mắt CoWoS và có thể gắn HBM vào chip điện toán theo cách rất hiệu quả để cải thiện hiệu suất tổng thể của kiến ​​trúc. Kể từ khi TSMC đi đầu trong việc thương mại hóa công nghệ 2.5D CoWoS vào năm 2012, TSMC đã trải qua nhiều thế hệ nâng cấp. TSMC tuyên bố rằng GPU Blackwell thế hệ mới nhất của Nvidia là sản phẩm đầu tiên sử dụng công nghệ đóng gói thế hệ mới nhất CoWoS‑L và đây là một phần của năng lực sản xuất tiên tiến nhất hiện được nhiều người coi là “gần như được Nvidia bao bọc”.

Đối với Intel, công nghệ đóng gói tiên tiến hàng đầu của họ là EMIB (Cầu kết nối đa khuôn nhúng). Giải pháp này có chức năng tương tự như công nghệ bộ chuyển đổi của TSMC, nhưng sử dụng các cầu nối silicon nhúng thay vì toàn bộ bộ chuyển đổi và nhúng các miếng tấm silicon nhỏ nơi cần kết nối mật độ cao để giảm chi phí. Gardner cho biết có thể đạt được lợi thế đáng kể về chi phí bằng cách “chỉ nhúng những miếng silicon rất nhỏ vào những nơi cần thiết”.

Đồng thời, các công ty như TSMC và Intel đang đẩy nhanh việc bố trí giai đoạn tiếp theo - bao bì 3D thực sự. Intel gọi công nghệ đóng gói 3D của mình là Foveros Direct, trong khi TSMC ra mắt "Hệ thống trên chip tích hợp (SoIC)". Không giống như các chip 2.5D được đặt cạnh nhau, bao bì 3D áp dụng phương pháp xếp chồng dọc để "xếp chồng" các chip. Theo Russo, điều này cho phép nhiều chip "gần như hoạt động giống như một con chip duy nhất" về đặc tính điện và hiệu suất, mang đến một bước nhảy vọt mới về hiệu suất.

Russo dự đoán rằng sẽ phải mất vài năm nữa thị trường mới thấy các sản phẩm được đóng gói theo quy trình SoIC của TSMC được tung ra thị trường trên quy mô thực sự. Trong quá trình này, các nhà sản xuất bộ nhớ như Samsung, SK Hynix và Micron cũng đang thúc đẩy việc đóng gói tiên tiến trong các nhà máy tương ứng của họ, sử dụng công nghệ đóng gói 3D để xếp chồng các chip bộ nhớ theo chiều dọc nhằm tạo ra các sản phẩm bộ nhớ băng thông cao nhằm đáp ứng nhu cầu cao về băng thông bộ nhớ và khả năng đào tạo và suy luận AI.

Trong khi đẩy nhanh tốc độ vận chuyển, các nhà sản xuất chip lưu trữ và chip logic cũng đang thúc đẩy quy trình đóng gói mới gọi là "liên kết lai", sử dụng miếng đồng để thay thế các mối hàn truyền thống, cải thiện đáng kể độ kín của việc xếp chồng chip. Chuyên gia đóng gói Vardaman giải thích rằng bằng cách thực hiện kết nối trực tiếp giữa các miếng đồng với các miếng đồng, khoảng cách giữa các con chip có thể được nén xuống gần như bằng 0, điều này không chỉ cải thiện hiệu suất tiêu thụ điện năng mà còn mang lại đặc tính điện tốt hơn, bởi vì "đường đi ngắn nhất là đường đi tốt nhất".

Trong kỷ nguyên AI, liên kết đóng gói kín đáo từng nằm ở cuối chuỗi cung ứng đang trở thành đỉnh cao chỉ huy chiến lược mới của ngành công nghiệp chip. Trên đường đua ngày càng cạnh tranh này, từ Nvidia đến Musk, từ TSMC đến Intel, tất cả các bên đều đang tranh giành quyền thống trị ở “dặm cuối” của thế hệ chip AI tiếp theo.