Cuộc đua tranh trên thị trường quang tử silicon

Tập đoàn bán dẫn hàng đầu của Hàn Quốc Samsung Electronics đang nỗ lực vượt lên để giành thị trường quang tử silicon, được coi là bước ngoặt cho thị trường bán dẫn thời đại trí tuệ nhân tạo (AI).

 

Các công ty bán dẫn đang chuyển sang công nghệ quang tử silicon để tăng tốc độ truyền dẫn của chất bán dẫn AI, đồng thời giảm thiểu sinh nhiệt và tiêu thụ điện năng. Không giống như các chất bán dẫn thông thường, vốn lưu trữ thông tin dữ liệu trên dây đồng, quang tử silicon thu thập thông tin dưới dạng ánh sáng và sau đó truyền qua sợi quang (ống dẫn sóng). Với hầu như không có điện trở, công nghệ này không chỉ mang lại tốc độ truyền dẫn nhanh mà còn sản ra ít nhiệt và điện năng hơn đáng kể. Nhận thấy lợi thế này, các công ty công nghệ lớn như Nvidia, AMD và Intel đã bắt đầu phát triển và ký kết các thỏa thuận sản xuất theo hợp đồng với TSMC. Samsung cũng có kế hoạch nhanh chóng nâng cao năng lực công nghệ và thu hút khách hàng.

Một chuyên gia trong ngành nhận định sau năm 2030, khi công nghệ quang tử silicon không chỉ được áp dụng cho máy chủ AI mà còn cho từng con chip riêng lẻ, công nghệ quang tử sẽ quyết định tính cạnh tranh của thị trường đúc chip. Công ty nghiên cứu thị trường Modo Intelligence dự đoán thị trường quang tử silicon sẽ tăng trưởng lên 10,3 tỷ USD vào năm 2030.

Chỉ hơn một thập kỷ trước, quang tử silicon vẫn chỉ là một lý thuyết. Nó đòi hỏi phải đưa tín hiệu điện vào ánh sáng được tạo ra bằng laser, biểu diễn các tín hiệu điện dưới dạng 0 và 1 thông qua sự thay đổi trạng thái của ánh sáng đó, và truyền ánh sáng qua các ống dẫn sóng silicon thay vì dây dẫn, sau đó chuyển đổi nó trở lại thành tín hiệu điện tại bộ thu. Đây là một quy trình không hề dễ dàng.

Tuy nhiên, với sự xuất hiện của thị trường bán dẫn trí tuệ nhân tạo (AI), đòi hỏi phải xử lý nhanh chóng một lượng lớn dữ liệu, các công ty thiết kế bán dẫn toàn cầu như Nvidia và AMD đã đi đầu trong nghiên cứu ứng dụng công nghệ này. Một khi đã có công nghệ này, họ có thể đồng thời giải quyết những hạn chế của dây đồng - tốc độ chậm, sinh nhiệt và tình trạng tiêu tốn điện năng của AI vốn được ví như “Hà mã ăn điện”. Công nghệ quang tử silicon sẽ được ứng dụng vào chip máy chủ AI khá rộng rãi ngay từ năm 2026, theo đó sẽ đồng thời mở ra một thị trường mới cho ngành công nghiệp đúc.

Công nghệ quang tử silicon là sự kết hợp giữa silicon, vật liệu chính của chất bán dẫn, và quang tử, tức là quang học. Silicon là vật liệu có chiết suất cao, có khả năng giữ lại ánh sáng. Bằng cách tạo ra các kênh siêu nhỏ để ánh sáng có thể đi qua, nó ngăn ánh sáng thoát ra ngoài, cho phép truyền dữ liệu chính xác. Không giống như dây đồng, công nghệ này truyền dữ liệu bằng ánh sáng mà không có điện trở, giúp truyền dữ liệu nhanh chóng và hiệu quả. Điều này đủ để tăng khả năng truyền dữ liệu từ gigabyte (GB) hiện có lên terabyte (TB), nhanh hơn gấp 1.000 lần.

Intel là công ty đầu tiên thương mại hóa thành công công nghệ mới này. Năm 2016, quang tử silicon đã được triển khai thành công trong một "bộ thu phát", một thiết bị cho phép các máy chủ từ xa giao tiếp bằng ánh sáng. Tuy nhiên, do khả năng tiếp thị thấp, công nghệ này ít được chú ý.

Sự bùng nổ của AI đã đưa quang tử silicon quay trở lại với đầy đủ tiềm năng. Đây là công nghệ duy nhất có thể giải quyết ba thách thức lớn mà chất bán dẫn AI đang phải đối mặt: tốc độ chậm, tỏa nhiệt và tiêu thụ điện năng cao. Việc triển khai các mô hình AI mới nhất đòi hỏi hàng trăm tỷ giá trị số (tham số), nhưng hệ thống dây đồng truyền thống lại tạo ra các nút thắt cổ chai, giống như tình trạng tắc nghẽn giao thông trên đường.

Gần đây, những tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ đóng gói tiên tiến (công nghệ cho phép nhiều chip hoạt động như một chip duy nhất) đã dẫn đến sự thay đổi trong thiết kế quang tử silicon. Bộ thu phát, thiết bị xử lý truyền dẫn ánh sáng trước đây được gắn bên ngoài máy chủ, giờ đây được gắn trên các đế bán dẫn. Công nghệ này được gọi là "Co-Package Optics (CPO). Với sự ra đời của CPO, dây đồng kết nối ánh sáng đi vào máy chủ với chip máy tính được loại bỏ, rút ngắn khoảng cách giữa ánh sáng và chip. TSMC tuyên bố khi công nghệ này được thương mại hóa vào năm 2026, tốc độ truyền dữ liệu sẽ tăng gấp mười lần và mức tiêu thụ điện năng sẽ giảm một nửa so với các phương pháp thông thường.

TSMC là công ty dẫn đầu thị trường CPO, nhờ sự phát triển tích cực của công nghệ quang tử silicon của NVIDIA, một trong những khách hàng lớn nhất của họ. Tại hội nghị nhà phát triển GTC 2025 diễn ra hồi tháng 3, Giám đốc điều hành Nvidia, Jensen Huang đã giới thiệu một chip chuyển mạch sử dụng quang tử silicon. CEO Huang cho biết loại chip mới sẽ giảm đáng kể chi phí cho các đơn vị vận hành trung tâm dữ liệu, vì nó loại bỏ chi phí bộ thu phát và giảm mức tiêu thụ điện. TSMC đang hợp tác với các startup có giá trị trên 1 tỷ USD tại Thung lũng Silicon như Ayar Labs, Celestial AI và Lightmatter để nâng cao năng lực công nghệ.

Samsung Electronics cũng đang chuẩn bị cho một cuộc tấn công tổng lực. Công ty đang huy động mạng lưới R&D toàn cầu, chủ yếu được thành lập tại Hàn Quốc, Singapore, Ấn Độ, Mỹ và Nhật Bản, để phát triển công nghệ quang tử silicon. Samsung gần đây đã bổ nhiệm Phó chủ tịch cấp cao phụ trách phát triển quang tử silicon, lên vị trí phó chủ tịch, đồng thời tuyển dụng Park Hyun-dae, cựu nhà nghiên cứu CPO tại Intel.

Ngành công nghiệp bán dẫn đang rất chú ý đến cơ sở R&D của Samsung tại Singapore. Singapore, nơi đặt trụ sở của các viện nghiên cứu quốc gia như A*STAR và công ty đúc Compoundtech, được coi là một cường quốc về quang tử silicon. ASMPT, một công ty thiết bị cung cấp thiết bị đóng gói HBM cho Hàn Quốc, cũng có trụ sở chính tại Singapore. Samsung đã và đang mở rộng hoạt động tại đây, tuyển dụng các kỹ sư từ TSMC. Đồng thời, công ty đã hợp tác với Broadcom, một công ty thiết kế bán dẫn AI, để thương mại hóa quang tử silicon vào năm 2027. Samsung Electronics coi quang tử silicon là chìa khóa để thu hút thêm nhiều khách hàng đúc chip lớn.