Mới đây, SemiAnalysis, hãng nghiên cứu bán dẫn độc lập tại Mỹ, đã công bố kết quả mổ xẻ chip Kirin 9030 Pro, bộ vi xử lý flagship mới nhất của Huawei trang bị trên dòng Mate 80 Pro. Đây là lần đầu tiên hãng này công bố kết quả từ phòng lab phân tích chip riêng tại bang Oregon, với khả năng mổ xẻ những con chip tiên tiến nhất thế giới.
Phân tích chi tiết chip Kirin 9030
Để phân tích tiến trình SMIC N+3, nhóm chuyên gia đã sử dụng phương pháp cắt mặt cắt ngang TEM nhắm mục tiêu, chụp ảnh theo cả hai chiều fin-cut và gate-cut nhằm quan sát từng lớp cấu trúc bên trong chip. Để đối chiếu, họ đồng thời mổ xẻ chip Helio G99 của MediaTek, sản xuất trên tiến trình N6 của TSMC, vốn được xem là tiến trình tương đương với SMIC N+3.
Kết quả cho thấy Kirin 9030 được sản xuất trên tiến trình N+3 của SMIC, thế hệ thứ ba trong dòng chip 7 nm nội địa Trung Quốc. Điều khiến giới quan sát chú ý nằm ở lớp kim loại M0, lớp kết nối kim loại thấp nhất ngay trên các transistor. Phép đo cho thấy pitch của lớp M0 trên SMIC N+3 chỉ 32,5 nm, nhỏ hơn khoảng 10% so với mức 36 nm trên tiến trình 18A mới nhất của Intel, dùng trong CPU Panther Lake.
Thoạt nhìn là tuyên bố chấn động
Khoảng cách pitch (metal pitch) thường được coi là thước đo quan trọng của mức độ thu nhỏ trong sản xuất chip. Một con số nhỏ hơn, theo logic thông thường, đồng nghĩa với công nghệ tiên tiến hơn. Tuy nhiên, SemiAnalysis ngay lập tức đặt dấu hỏi lớn với nhận định đó.
Hóa ra lại là cú lừa
Trước hết, M0 chỉ là một lớp trong toàn bộ ngăn xếp kết nối của một con chip hiện đại. Để đánh giá đúng một tiến trình sản xuất, cần nhìn vào toàn bộ bức tranh: pitch của các lớp M1, M2 và các lớp cao hơn, số lượng mặt nạ quang, khả năng kiểm soát sai số overlay, độ linh hoạt định tuyến, và quan trọng nhất là mật độ transistor thực tế cũng như hiệu năng trên mỗi watt.
Khi nhìn vào bức tranh toàn cảnh, SMIC N+3 không vượt được Intel 18A mà thậm chí còn tụt hậu đáng kể. Trên thước đo mật độ transistor chuẩn, SMIC N+3 đạt 113,4 triệu transistor/mm², trong khi Intel 18A ở thư viện mật độ cao đạt cao hơn tới 38%. Nói cách khác, cùng diện tích wafer, Intel nhét được nhiều transistor hơn gần 40%.
Điều quan trọng hơn nằm ở cách SMIC đạt được con số pitch 32,5 nm. Không có EUV, hãng này buộc phải sử dụng kỹ thuật SAQP, tức tự căn chỉnh bốn lần trên nền máy in DUV thế hệ cũ. Mỗi lần thêm bước patterning đồng nghĩa với thêm mặt nạ quang, thêm sai số overlay tích lũy, thêm chi phí và rủi ro lỗi sản xuất. TSMC N6, tiến trình mà SMIC N+3 muốn theo kịp, lại không cần dùng SAQP cho bất kỳ lớp nào.
Hậu quả nhìn thấy ngay trên ảnh mặt cắt TEM: các rãnh kim loại M0 của SMIC N+3 có hình dạng re-entrant rõ rệt, phần đáy hẹp hơn miệng, và xuất hiện lớp barrier dày ở đáy do tỷ lệ chiều cao trên chiều rộng quá lớn. Đây là dấu hiệu trực quan cho thấy quá trình patterning đang bị đẩy đến giới hạn vật lý của DUV.
Thêm vào đó, SMIC N+3 chỉ có một thư viện ô chuẩn duy nhất với 2 fin NMOS và 2 fin PMOS, hẹp hơn nhiều so với TSMC N6 vốn cung cấp cả thư viện mật độ cao lẫn hiệu năng cao. Sự hạn chế này phản ánh hệ sinh thái EDA nội địa Trung Quốc chưa đủ trưởng thành.
Hiệu năng thực tế: con số trên giấy và trong tay người dùng
Sự chênh lệch giữa pitch kim loại và hiệu năng thực tế thể hiện rõ khi nhìn vào Kirin 9030 dưới góc độ người dùng. Chip này trang bị lõi Prime TaiShan chạy 2,75 GHz, đạt hiệu năng tương đương Cortex-X2 của ARM năm 2021. Trong khi đó, lõi hiệu năng thấp của Apple trong chip A18 Pro đạt hiệu năng integer cao hơn 20% so với lõi Prime của Huawei, nhưng chỉ tiêu thụ 1 watt điện, so với 4,5 watt của Huawei.
Về GPU, Maleoon 935 trong Kirin 9030 tăng tốc 70-79% so với thế hệ trước và lần đầu hỗ trợ ray-tracing phần cứng. Tuy nhiên, so với Snapdragon 8 Elite mới nhất, GPU của Huawei vẫn chậm hơn từ 2,4 đến 3,2 lần tùy bài kiểm tra. Kirin 9030 đang cạnh tranh với các flagship Android từ ba năm trước, không phải với những gì đang bán hiện nay.
Nghịch lý này xuất phát từ thực tế: SMIC N+3 về mật độ ngang bằng TSMC N6, nhưng N6 là tiến trình đã ra mắt từ nhiều năm trước. Apple và Qualcomm hiện xây dựng chip trên N3P và N4 của TSMC, vốn dày đặc hơn và có hiệu năng trên mỗi volt tốt hơn. Khoảng cách không nằm ở pitch của một lớp kim loại mà ở toàn bộ hệ sinh thái công nghệ phía sau.
Trung Quốc vẫn tiến lên nhưng cái giá ngày càng đắt
Điều đó không có nghĩa SMIC và Huawei đang đứng yên. SemiAnalysis thừa nhận việc đạt mật độ ngang TSMC N6 mà không có EUV là một thành tựu kỹ thuật thực sự. Các lệnh kiểm soát xuất khẩu của Mỹ đã không dừng được Trung Quốc, nhưng buộc họ đi một con đường vòng phức tạp hơn, tốn kém hơn và ít dư địa hơn.
Mỗi thế hệ tiến trình tiếp theo của SMIC sẽ càng khó hơn. Các đòn bẩy DTCO đang cạn kiệt, mỗi bước thu nhỏ đòi hỏi nhiều mặt nạ hơn và kiểm soát chặt chẽ hơn, trong khi chi phí tăng nhanh hơn mức cải thiện hiệu năng. Con số pitch 32,5 nm của SMIC nhỏ hơn Intel, nhưng chi phí để tạo ra con số đó lại lớn hơn đáng kể.
Bài học từ phân tích của SemiAnalysis không chỉ dành cho ngành bán dẫn. Trong thời đại các con số kỹ thuật thường được dùng làm vũ khí địa chính trị, hiểu được ngữ cảnh đằng sau một chỉ số đơn lẻ đôi khi quan trọng hơn chính con số đó.
