Xe điện đã thúc đẩy sự thay đổi của ngành công nghiệp chip thế nào?

11:14 06/09/2021

Với chất bán dẫn vốn được coi là có vai trò quan trọng đối với an ninh quốc gia và khả năng cạnh tranh kinh tế, các chính phủ ở Trung Quốc, Mỹ và châu Âu đang tìm cách hỗ trợ nghiên cứu và phát triển vật liệu chip mới.

Bộ biến tần nhỏ hơn, một thành phần chính của EV, đã giúp cho Model 3 của Tesla có thiết kế đẹp mắt. Cacbua silic góp phần tạo ra các thành phần công suất nhỏ hơn.

Việc thu nhỏ biến tần - một thành phần chính của EV, đã giúp cho Model 3 của Tesla có thiết kế đẹp mắt. Ảnh: Tesla

Silicon vốn là nguồn nguyên liệu dồi dào, dễ xử lý đã là vật liệu được lựa chọn qua nhiều thập kỷ trong ngành công nghiệp bán dẫn, nhưng xe ô tô điện (EV) đang giúp chip chiếm lại ưu thế trong việc theo đuổi hiệu quả năng lượng.

Tesla đã là một chất xúc tác cho sự thay đổi này. Nhà sản xuất ô tô Mỹ đã trở thành hãng đầu tiên trong số các công ty đồng cấp của mình sử dụng chip cacbua silicon trong một chiếc ô tô sản xuất hàng loạt, kết hợp chúng vào một số chiếc Model 3 của mình. Động thái này đã tạo động lực cho vật liệu tiết kiệm điện trong chuỗi cung ứng EV, với sự phân nhánh của ngành công nghiệp chip.

Kazuhide Ino, Giám đốc chiến lược của nhà sản xuất chip Nhật Bản Rohm cho biết: “Cho đến nay, các nhà sản xuất chip đã làm việc cùng nhau để xây dựng thị trường cacbua silicon, nhưng chúng tôi đã đến giai đoạn phải cạnh tranh với nhau".

Cacbua silic, viết tắt là SiC, chứa silic và cacbon. Với các liên kết hóa học mạnh hơn silicon, nó là vật liệu cứng thứ ba trên thế giới. Việc xử lý nó đòi hỏi công nghệ tiên tiến, nhưng tính ổn định của vật liệu và các đặc tính khác cho phép các nhà sản xuất chip giảm tổn thất năng lượng hơn một nửa so với các tấm silicon tiêu chuẩn.

Các chip SiC cũng tản nhiệt tốt, cho phép tạo ra các biến tần nhỏ hơn - một thành phần EV quan trọng giúp điều chỉnh dòng điện đến động cơ.

Masayoshi Yamamoto, giáo sư tại Đại học Nagoya, Nhật Bản cho biết: “Model 3 có hệ số cản không khí thấp như một chiếc xe thể thao. Việc thu nhỏ biến tần đã khiến nó có thiết kế hợp lý hơn". 

Một biến tần Tesla Model 3 có chứa chip cacbua silicon được nhìn thấy trong quá trình xé nhỏ. (Ảnh do giáo sư Đại học Nagoya Masayoshi Yamamoto cung cấp)
Một biến tần Tesla Model 3 có chứa chip cacbua silicon. Ảnh: Nikkei Asia. 

Động thái của Tesla đã gây chấn động ngành công nghiệp chip. Vào tháng 6, nhà sản xuất chip Đức Infineon Technologies đã giới thiệu một mô-đun SiC cho biến tần xe điện.

"Thời điểm mở rộng SiC rõ ràng đã tiến gần hơn những gì chúng tôi mong đợi", một quản lý tại đơn vị của Infineon Nhật Bản cho biết.

Hyundai Motor sẽ sử dụng chip SiC do Infineon sản xuất trong EV thế hệ tiếp theo của mình. Những con chip này được cho là có thể tăng hơn 5% phạm vi hoạt động của phương tiện so với silicon thông thường.

Nhà sản xuất ô tô Pháp Renault đã ký một thỏa thuận vào tháng 6 với STMicroelectronics có trụ sở tại Thụy Sĩ để cung cấp chip SiC bắt đầu từ năm 2026. Thỏa thuận cũng bao gồm các chip được làm bằng gallium nitride, một vật liệu thay thế khác cho tấm bán dẫn.

Theo dự báo của công ty nghiên cứu thị trường Pháp Yole Developpement, thị trường chip điện SiC sẽ tăng gấp 6 lần vào năm 2026 so với năm 2020, đạt 4,48 tỷ USD.

Khoảng cách về giá giữa silicon và SiC đắt tiền hơn đang thu hẹp. Yamamoto cho biết, việc sản xuất hàng loạt và các yếu tố khác đã giảm sự chênh lệch về chi phí xuống còn khoảng gấp đôi, từ mức gần gấp 10 lần so với cách đây 5 năm. Với một số nhà cung cấp ngành công nghiệp chip bắt đầu sản xuất tấm SiC lớn hơn, khoảng cách này có thể thu hẹp hơn nữa.

Rohm là người đi đầu trong lĩnh vực này, sản xuất hàng loạt bóng bán dẫn SiC đầu tiên trên thế giới vào năm 2010. Đơn vị SiCrystal của Đức, được mua lại vào năm 2009, sản xuất tấm lót SiC, mang lại cho Rohm khả năng sản xuất từ ​​đầu đến cuối công đoạn. Công ty Nhật Bản đặt mục tiêu đạt 30% thị phần toàn cầu về chip SiC vào năm tài chính 2025. Gần đây, họ đã mở thêm một cơ sở sản xuất tại một nhà máy ở tỉnh Fukuoka của Nhật Bản, một phần trong kế hoạch tăng công suất lên gấp 5 lần của họ. 

Rohm cho biết một số mẫu xe điện sắp ra mắt sẽ sử dụng chip SiC của hãng. Nó cũng có một thỏa thuận với nhà sản xuất EV của Trung Quốc Geely về công nghệ cho chip thế hệ tiếp theo.

Silicon không phải là vật liệu làm chip đầu tiên. Sau khi phát minh đột phá về bóng bán dẫn tại Phòng thí nghiệm Bell ở Mỹ vào năm 1947, các tinh thể gecmani đã được sử dụng. Silicon đã thay thế nguyên tố này vào những năm 1960 khi ngành công nghiệp bán dẫn bắt đầu phát triển. Hai trong số các nhà cung cấp wafer silicon lớn nhất thế giới - Shin-Etsu Chemical và Sumco - có trụ sở tại Nhật Bản.

SiC cũng có các đối thủ như một giải pháp thay thế cho silicon. Gali nitride (GaN) có khả năng cắt giảm tổn thất năng lượng xuống khoảng 1/10 so với chip silicon. Việc sử dụng vật liệu này trong chất bán dẫn đã được phát triển ở Nhật Bản để tạo ra các điốt phát quang màu xanh lam. Mặc dù chip GaN được sử dụng trong một số lĩnh vực, chẳng hạn như thiết bị sạc, vật liệu này vẫn chưa thể hiện hết tiềm năng của nó vì nó chủ yếu được sử dụng cùng với các vật liệu khác, bao gồm cả silicon.

Việc tìm kiếm các giải pháp thay thế cho silicon phản ánh những giới hạn ngày càng rõ ràng để cải thiện hiệu suất chip. Sự phát triển của các thiết bị điện tử nhỏ hơn, mạnh hơn đòi hỏi phải khắc các mẫu mạch nhỏ hơn bao giờ hết. 

Bảo tồn năng lượng cũng thúc đẩy những đổi mới trong vật liệu chip. Việc mở rộng xe điện, trung tâm dữ liệu của nền kinh tế kỹ thuật số sẽ tạo ra nhu cầu điện lớn chưa được đáp ứng nếu không có các bước cải thiện hiệu quả năng lượng.

Công ty khởi nghiệp Lab 91 của Hoa Kỳ, một chi nhánh của Đại học Texas ở Austin, đang phát triển công nghệ để phủ graphene - các tấm carbon dày chỉ một nguyên tử - lên các tấm chip. Các thử nghiệm ban đầu đã thành công và công ty đang đàm phán với các nhà sản xuất chip để đánh giá công nghệ này nhằm sản xuất hàng loạt. Graphene có tiềm năng cải thiện hiệu suất chip trong một loạt các ứng dụng, từ EVs đến đèn LED cho đến cảm biến hình ảnh được sử dụng trong máy ảnh điện thoại thông minh.

Kim cương là một chất thay thế có khả năng thay đổi cuộc chơi nhưng sẽ tốn kém. Nhà sản xuất Adamant Namiki Precision Jewel có trụ sở tại Tokyo đã phát triển công nghệ sản xuất chip nguồn bằng kim cương. Trên lý thuyết, chất cứng nhất thế giới này có khả năng cắt giảm tổn thất năng lượng đến một phần 50.000 như silicon. Nhưng việc tạo ra những con chip như vậy sẽ tốn khoảng chi phí cao vẫn là một vấn đề cần giải quyét. Các chất nền kim cương hiện nay đắt gấp hàng nghìn lần so với các tấm lót silicon.

Với chất bán dẫn vốn được coi là đóng vai trò quan trọng đối với an ninh quốc gia và khả năng cạnh tranh kinh tế, các chính phủ ở Trung Quốc, Mỹ và châu Âu đang tìm cách hỗ trợ nghiên cứu và phát triển vật liệu chip mới. Hỗ trợ cho nghiên cứu phát triển và đầu tư trong lĩnh vực này là một phần của chiến lược bán dẫn do Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp Nhật Bản ban hành vào tháng 6. Khi silicon đứng cùng với thép như một trong những vật liệu tạo nên thế kỷ 20, vật liệu bán dẫn thế hệ mới có vẻ sẽ trở thành động lực cạnh tranh quốc tế trong những thập kỷ tới.

Bảo Bảo