Tính bền vững của chuỗi cung ứng bán dẫn Hoa Kỳ

Vào tháng 2/2021, Tổng thống Biden đã ký sắc lệnh hành pháp (EO) 14017, “Chuỗi cung ứng của nước Mỹ”, chỉ đạo bảy cơ quan hành pháp đánh giá khả năng phục hồi và an ninh của các chuỗi cung ứng trọng yếu quốc gia. Theo đó, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE), thông qua các phòng thí nghiệm quốc gia, đã tiến hành đánh giá các chuỗi cung ứng thuộc Nền tảng công nghiệp lĩnh vực năng lượng, với trọng tâm là các công nghệ cần thiết nhằm khử carbon cho Hoa Kỳ vào năm 2050.

Đây là tóm tắt của Báo cáo Phân tích sâu về chuỗi cung ứng bán dẫn của Hoa Kỳ, một trong mười một lĩnh vực đã được DOE tiến hành đánh giá và công bố vào tháng 2/2022.

Giới thiệu

Để đối phó với khủng hoảng khí hậu, hạn chế những tác động nghiêm trọng nhất của biến đổi khí hậu, Hoa Kỳ cam kết cắt giảm từ 50 đến 52% tổng lượng phát thải khí nhà kính trên toàn nền kinh tế vào năm 2030, xây dựng lĩnh vực năng lượng không phát thải carbon vào năm 2035 và đạt mức phát thải ròng bằng 0 trên toàn nền kinh tế muộn nhất vào năm 2050. 

Nền tảng công nghiệp lĩnh vực năng lượng của Hoa Kỳ sẽ cần có sự chuyển đổi mạnh mẽ để khử carbon vào năm 2050, và tăng trưởng, hiệu quả sử dụng năng lượng cùng an ninh chuỗi cung ứng bán dẫn là các yếu tố then chốt của quá trình này. 

Bán dẫn là công nghệ trọng yếu trong lĩnh vực năng lượng, bởi chúng đóng vai trò thiết yếu trong vận hành gần như mọi phương tiện điện, trạm sạc, tua-bin gió cũng như toàn bộ lưới điện, vốn đóng vai trò quyết định trong tiến trình khử carbon.  

Bán dẫn cũng là lĩnh vực quan trọng đối với nền kinh tế Hoa Kỳ, đóng góp hơn 246,4 tỷ USD cho tổng sản phẩm quốc nội (GDP) của Hoa Kỳ năm 2020. Với giá trị xuất khẩu 49 tỷ USD, đây là mặt hàng xuất khẩu lớn thứ tư của Hoa Kỳ năm 2020 chỉ sau máy bay, dầu tinh luyện và dầu thô. 

Báo cáo tập trung vào cả bán dẫn điện tử công suất truyền thống và bán dẫn điện tử công suất dải rộng (WBG), do cả hai nhóm này đều giữ vai trò then chốt để đạt mục tiêu phát thải ròng bằng 0 carbon. 

Công nghệ 

Trong khuôn khổ báo cáo này, “bán dẫn” tập trung vào các bán dẫn sử dụng cho những ứng dụng quan trọng phục vụ quá trình khử carbon lĩnh vực năng lượng, ngoại trừ các bán dẫn trong quang điện.

Những ứng dụng này bao gồm:

• Bán dẫn dải rộng (WBG) (ví dụ: SiC và nitride gallium (GaN)) dùng để kiểm soát, chuyển đổi và điều chỉnh dòng điện cho phương tiện điện (EV), công nghệ công nghiệp điện hóa (như máy bơm nhiệt công nghiệp) và các ứng dụng năng lượng tái tạo khác như tuabin gió và máy phát điện mặt trời.
• Bán dẫn truyền thống (ví dụ: dựa trên silicon) kiểm soát dòng dữ liệu hỗ trợ cho hiệu quả năng lượng và ứng dụng năng lượng tái tạo, bao gồm EV, hệ thống cảm biến không dây tích hợp cho sản xuất tiết kiệm năng lượng, hiệu suất năng lượng trong các tòa nhà và công nghệ năng lượng tái tạo khác.

Yếu tố quyết định sự khác biệt giữa các ứng dụng nằm ở phạm vi vận hành của bán dẫn. Cả hai loại bán dẫn đều hoạt động hiệu quả trong khoảng 600 – 900 V, nhưng thiết bị SiC còn có thể vận hành ở điện áp cao hơn nhiều. Một trong các lĩnh vực mà GaN và SiC đang được ứng dụng đồng thời là mảng phương tiện điện (EV). 

Lập bản đồ chuỗi cung ứng bán dẫn

Thị trường và chuỗi cung ứng bán dẫn mang tính toàn cầu và vô cùng phức tạp. Việc thiết kế, chế tạo, đóng gói một sản phẩm bán dẫn có thể kéo dài tới 100 ngày, bao gồm 12 ngày vận chuyển, và quy trình này có thể vượt qua biên giới quốc tế hơn 70 lần.

Hầu hết chuỗi cung ứng có thể chia thành năm phân đoạn chính: nguyên liệu thô, vật liệu chế biến, bán thành phẩm, sản phẩm và tái chế/tái sử dụng cuối vòng đời (EOL). Tuy nhiên, độ phức tạp của bán dẫn đòi hỏi bổ sung thêm nhiều phân đoạn chuỗi cung ứng: thiết kế, thiết bị sản xuất bán dẫn (SME), lắp ráp, kiểm tra, đóng gói (ATP) bao gồm đóng gói tiên tiến và nghiên cứu – phát triển (R&D), như minh họa ở Hình 9. 

Các điểm yếu chính của chuỗi cung ứng bán dẫn Hoa Kỳ 

• Các nỗ lực khử carbon sẽ làm tăng nhu cầu sử dụng năng lượng tái tạo và hạ tầng hỗ trợ, bao gồm cả chuỗi cung ứng bán dẫn truyền thống và bán dẫn điện tử công suất dải rộng WBG. Hiện trạng thiếu năng lực sản xuất trong nước và hạn chế về nguồn nguyên liệu thô sẽ trở nên trầm trọng hơn. Dự báo sản xuất silicon toàn cầu hiện tại không đủ đáp ứng tốc độ tăng trưởng này, và nhiều chuỗi cung ứng khác có thể cũng sẽ chịu áp lực tương tự. Mảng phương tiện điện có thể chịu ảnh hưởng lớn do nhu cầu bán dẫn trong EV cùng hạ tầng sạc ngày càng tăng. 

• Mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu của các sản phẩm ứng dụng bán dẫn đã tăng gấp đôi sau mỗi ba năm kể từ 2010. Đà tăng trưởng theo cấp số nhân này dự kiến sẽ còn tăng nhanh hơn nữa nhờ quá trình điện hóa do khử carbon, cũng như sự gia tăng các ứng dụng công nghệ tính toán tiêu thụ năng lượng lớn.

• Với tốc độ áp dụng công nghệ bán dẫn nhanh chóng trên mọi lĩnh vực, đặc biệt là lĩnh vực năng lượng, hiệu suất và hiệu quả sử dụng bán dẫn sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu suất – hiệu quả công nghệ trong những lĩnh vực này. 
• Các thuật toán AI đang tăng gấp đôi sức mạnh mỗi hai tháng, và tiêu thụ điện năng của bán dẫn chỉ riêng cho việc đào Bitcoin hiện đã cao hơn nhiều quốc gia châu Âu, với thời gian gấp đôi hàng năm. 

• Năm 1995, 26% năng lực sản xuất bán dẫn toàn cầu đặt tại Hoa Kỳ, tỷ lệ này đã giảm xuống 10% vào năm 2020 (Hiệp hội Công nghiệp Bán dẫn Châu Âu). Việc phát triển công nghệ đáp ứng nhu cầu lĩnh vực năng lượng trở nên cấp thiết. Hoa Kỳ hiện đã có điểm mạnh tại thị trường điện tử công suất SiC và đã lên được “bản đồ” của thị trường HV. Tuy nhiên, công nghệ này và các công nghệ hỗ trợ cần tiếp tục được phát triển để nâng cao chất lượng và giảm chi phí. Nếu không đầu tư ngay, lợi thế này có thể nhanh chóng dịch chuyển ra nước ngoài. 

• Gần như không thể đưa thiết bị mới trực tiếp vào các nhà máy bán dẫn trị giá hàng tỷ đô la. Các công cụ dựa trên công nghệ điều khiển chính xác siêu cao dùng để sản xuất các thiết bị tiết kiệm năng lượng này nên được triển khai qua các doanh nghiệp sản xuất thiết bị công cụ.

• Hoa Kỳ cũng cần nâng cao năng lực về đóng gói tiên tiến. Công nghệ này ngày càng có vai trò quan trọng đối với hiệu suất và hiệu quả, và chỉ tăng tầm quan trọng khi quá trình điện hóa tiếp diễn. Đóng gói tiên tiến là lĩnh vực đổi mới, phát triển nhanh, phụ thuộc lớn vào năng lực thiết kế mà Hoa Kỳ có thế mạnh, nhưng ngành này cần xây dựng năng lực sản xuất trong nước nếu không muốn tụt hậu trong lĩnh vực trọng yếu này. 

• Sản xuất bán dẫn đòi hỏi lượng nước lớn và để lại dấu chân carbon cao do nhu cầu tiêu thụ năng lượng lớn cũng như sử dụng các hợp chất flo hóa. Do đó, cần giải quyết các tác động môi trường tiềm ẩn từ việc mở rộng sản xuất. 

• Bảo đảm chuỗi cung ứng vững mạnh dựa trên yếu tố đội ngũ lao động chuyên môn vững vàng, được đào tạo bài bản. Nhu cầu này trải dài từ lao động phổ thông đến lao động có bằng cấp cao, cần sự bổ sung từ cả công dân Hoa Kỳ và người lao động nước ngoài. Việc bảo đảm chương trình đào tạo, chính sách nhập cư và toàn bộ hạ tầng hỗ trợ phối hợp nhất quán để đáp ứng nhu cầu này, đồng thời duy trì chuẩn lao động và mức lương cạnh tranh, là điều tối quan trọng. 

Kết luận 

Hoa Kỳ đang giữ vị thế dẫn đầu trong ngành bán dẫn, nhưng vị thế này đang bị xói mòn, đặc biệt là về năng lực sản xuất trong nước và đóng gói tiên tiến. 

Các công nghệ nhằm giảm phát thải carbon đã sẵn sàng hỗ trợ quá trình chuyển đổi này, nhưng chúng vẫn phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu thô được giao dịch trên thị trường toàn cầu thiếu minh bạch và nhiều biến động, mà phần lớn nằm tại các khu vực nhạy cảm về địa chính trị. 

Bên cạnh đó, các khâu trung gian của chuỗi cung ứng như chế biến vật liệu và sản xuất linh kiện vẫn tập trung tại các quốc gia nước ngoài có mối quan hệ địa chính trị phức tạp với Hoa Kỳ.

Để Hoa Kỳ duy trì và mở rộng vị thế dẫn đầu ngành bán dẫn, cần đáp ứng nhu cầu tăng trưởng vượt bậc cho cả điện tử công suất truyền thống và dải rộng bằng cách tăng sản xuất và sử dụng cả hai dòng bán dẫn, đồng thời phát triển các công nghệ bán dẫn tiết kiệm năng lượng mới với tác động môi trường thấp.

Để đạt được những mục tiêu này, Hoa Kỳ cần phát triển lực lượng lao động trong nước có chuyên môn cho cả lĩnh vực bán dẫn truyền thống và điện tử công suất dải rộng WBG.