Minimal Fab là mô hình tổ hợp sản xuất bán dẫn quy mô nhỏ của Nhật bản có khả năng thực hiện liên tục từ nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm, sản xuất thử ở quy mô pilot đến sản xuất thương mại số lượng nhỏ. Đây là điểm đặc biệt quan trọng nhất của mô hình: thay vì tách phòng nghiên cứu với cơ sở sản xuất, một hệ thống có thể đưa một thiết kế chip từ nghiên cứu sang chế tạo mẫu, kiểm tra, hoàn thiện công nghệ, sản xuất thử và sau đó sản xuất các lô chip nhỏ.
Minimal Fab do Viện Khoa học và Công nghệ công nghiệp tiên tiến Nhật Bản (AIST) phát triển, nhằm đáp ứng nhu cầu sản xuất nhiều loại chip khác nhau nhưng mỗi loại chỉ cần số lượng nhỏ. AIST xác định đây là phân khúc mà các nhà máy bán dẫn lớn, vốn được thiết kế cho sản xuất hàng loạt, khó đáp ứng hiệu quả về kinh tế. Mô hình Minimal Fab hướng tới sản xuất dưới vài trăm nghìn sản phẩm và có thể kết hợp cả nghiên cứu, phát triển với sản xuất.
https://www.aist.go.jp/pdf/aist_e/aist_report/aist_report_2015.pdf
1.Nhiều loại chip cho UAV, MEMS, cảm biến, thiết bị đo…
Minimal Fab không nhằm cạnh tranh với các nhà máy sản xuất chip hiện đại với sản lượng hàng triệu hoặc hàng chục triệu sản phẩm. Điểm mạnh của nó là tính linh hoạt: có thể chế tạo nhiều loại chip và linh kiện điện tử chuyên dụng với số lượng mỗi loại không lớn.
Các sản phẩm có thể sử dụng loại chip này gồm thiết bị bay không người lái (UAV), vệ tinh nhỏ, robot, cảm biến, thiết bị đo lường, thiết bị y tế, thiết bị công nghiệp và các hệ thống điện tử chuyên dụng.
Trong đó, MEMS là các hệ thống vi cơ điện tử, tức những linh kiện cực nhỏ kết hợp các bộ phận cơ học và điện tử trên cùng một cấu trúc. MEMS được sử dụng trong cảm biến, bộ đo gia tốc, con quay hồi chuyển, cảm biến áp suất và nhiều thiết bị khác. Mô hình Minimal Fab được phát triển cho sản xuất nhiều chủng loại, số lượng nhỏ các linh kiện vi mô, trong đó có bán dẫn và MEMS.
https://www.minimalfab.com/en/about/
Ví dụ, một doanh nghiệp sản xuất UAV có thể cần một loại chip điều khiển hoặc cảm biến riêng với số lượng vài nghìn hoặc vài chục nghìn chiếc. Một thiết bị đo lường có thể cần một mạch điện tử được thiết kế riêng. Một vệ tinh nhỏ có thể cần các mạch chuyên dụng nhưng số lượng rất hạn chế. Những nhu cầu này không nhất thiết phù hợp với một nhà máy sản xuất hàng loạt, nhưng lại phù hợp với mô hình Minimal Fab.
2.Từ nghiên cứu đến sản phẩm trong cùng một hệ thống
Một quy trình điển hình là:
Nghiên cứu và thiết kế chip → chế tạo mẫu → kiểm tra → điều chỉnh công nghệ → sản xuất thử → sản xuất số lượng nhỏ.
Trong đó, sản xuất thử ở quy mô pilot có nghĩa là đưa công nghệ từ giai đoạn thử nghiệm trong phòng nghiên cứu sang sản xuất một lô sản phẩm với quy mô đủ để kiểm chứng quy trình, chất lượng và khả năng sản xuất trước khi sản xuất thương mại.
Khả năng rút ngắn quá trình này là một trong những giá trị quan trọng của Minimal Fab. Nhà nghiên cứu hoặc kỹ sư có thể tham gia trực tiếp quá trình chế tạo, thay vì phải chuyển thiết kế tới một nhà máy bán dẫn lớn ở nơi khác. AIST đã phát triển hệ thống theo hướng tự động hóa, cho phép người thiết kế mạch trực tiếp tham gia vận hành thiết bị để chế tạo sản phẩm.
https://unit.aist.go.jp/ircam/cmf/facility-minimalfab.html
Một ví dụ đáng chú ý là sự hợp tác giữa JAXA – Cơ quan Thám hiểm Hàng không Vũ trụ Nhật Bản và AIST trong việc chế tạo chipcho lĩnh vực vũ trụ.
JAXA là cơ quan quốc gia của Nhật Bản nghiên cứu và phát triển công nghệ hàng không, vũ trụ, vệ tinh, tàu vũ trụ và các hệ thống liên quan.
Trong chương trình hợp tác với AIST, JAXA đã thiết kế và cùng thực hiện chế tạo thử một mạch tích hợp khoảng 1.000 transistor, gồm mạch dịch 4 bit và mạch vào/ra. Mạch được chế tạo bằng Minimal Fab và được kiểm tra, xác nhận hoạt động bình thường.
https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2019/pr20190510/pr20190510.html
Đáng chú ý, JAXA cho biết thời gian chế tạo thử con chip này khoảng một tuần, trong khi phương pháp chế tạo mẫu truyền thống có thể mất vài tháng. Đây là một ví dụ rõ về khả năng rút ngắn thời gian từ thiết kế đến sản phẩm của mô hình sản xuất này.
https://www.aero.jaxa.jp/spsite/rensai/column/24.html
Kết quả này cho thấy Minimal Fab không chỉ dùng để nghiên cứu vật liệu hoặc chế tạo những linh kiện đơn giản, mà có thể chế tạo mạch tích hợp hướng tới các ứng dụng chuyên dụng trong lĩnh vực vũ trụ.
3.Vì sao có thể thu nhỏ cả dây chuyền sản xuất?
Minimal Fab sử dụng tấm silicon bán dẫn, gọi là wafer, đường kính 0,5 inch, tương đương 12,5 mm, nhỏ hơn rất nhiều so với wafer 12 inch được sử dụng trong các nhà máy bán dẫn lớn.
Các thiết bị chế tạo cũng được thu nhỏ. Thay vì xây dựng một phòng sạch rất lớn bao phủ toàn bộ dây chuyền, Minimal Fab tạo môi trường sạch ngay bên trong từng thiết bị và sử dụng hệ thống vận chuyển kín giữa các công đoạn.
Theo AIST, ba đặc điểm quan trọng của Minimal Fab là wafer đường kính 0,5 inch, thiết bị có bề rộng khoảng 30 cm và không cần phòng sạch lớn nhờ công nghệ làm sạch cục bộ.
https://www.aist.go.jp/pdf/aist_e/aist_report/aist_report_2015.pdf
Nhờ cách tiếp cận này, Minimal Fab có thể hoạt động trong không gian nhỏ hơn rất nhiều so với một nhà máy bán dẫn thông thường và không nhất thiết phải xây dựng phòng sạch quy mô lớn.
Minimal Fab sử dụng tấm silicon bán dẫn, gọi là wafer, đường kính 0,5 inch, tương đương 12,5 mm, nhỏ hơn rất nhiều so với wafer 12 inch được sử dụng trong các nhà máy bán dẫn lớn.
Các thiết bị chế tạo cũng được thu nhỏ. Thay vì xây dựng một phòng sạch rất lớn bao phủ toàn bộ dây chuyền, Minimal Fab tạo môi trường sạch ngay bên trong từng thiết bị và sử dụng hệ thống vận chuyển kín giữa các công đoạn.
Theo AIST, ba đặc điểm quan trọng của Minimal Fab là wafer đường kính 0,5 inch, thiết bị có bề rộng khoảng 30 cm và không cần phòng sạch lớn nhờ công nghệ làm sạch cục bộ.
https://www.aist.go.jp/pdf/aist_e/aist_report/aist_report_2015.pdf
Nhờ cách tiếp cận này, Minimal Fab có thể hoạt động trong không gian nhỏ hơn rất nhiều so với một nhà máy bán dẫn thông thường và không nhất thiết phải xây dựng phòng sạch quy mô lớn.
4.Quy mô sản xuất
Minimal Fab không được thiết kế để sản xuất hàng triệu hoặc hàng chục triệu chip cùng loại. Nó hướng tới sản xuất nhiều chủng loại với số lượng nhỏ.
AIST sử dụng phân khúc dưới vài trăm nghìn sản phẩm để mô tả nhu cầu mà Minimal Fab hướng tới. Đây là quy mô phân khúc thị trường, không phải công suất tối đa cố định của mọi dây chuyền Minimal Fab. Sản lượng thực tế phụ thuộc vào loại chip, số công đoạn, số thiết bị và thời gian chế tạo.
https://www.aist.go.jp/pdf/aist_e/aist_report/aist_report_2015.pdf
Vì vậy, một tổ hợp có thể bắt đầu bằng một số lượng rất nhỏ để nghiên cứu và chế tạo mẫu, sau đó chuyển sang sản xuất thử hàng trăm hoặc hàng nghìn sản phẩm, rồi tiến tới những lô thương mại hàng chục nghìn sản phẩm và trong những trường hợp phù hợp có thể đạt quy mô lớn hơn trong phân khúc sản xuất số lượng nhỏ.
5. Chi phí đầu tư
Theo tài liệu của AIST, một dây chuyền Minimal Fab có mức đầu tư khoảng 500 triệu yên, tương đương khoảng 3,3 triệu USD theo tỷ giá quy đổi tham khảo. AIST từng so sánh mức đầu tư này với một nhà máy bán dẫn quy mô lớn và cho rằng chỉ khoảng 1/1.000.
https://www.aist.go.jp/pdf/aist_e/aist_report/aist_report_2015.pdf
Đây là mức tham chiếu của mô hình và thời điểm AIST công bố, không phải giá cố định hiện nay. Chi phí thực tế phụ thuộc vào số lượng công đoạn, loại chip, thiết bị đo kiểm, đóng gói và cấu hình dây chuyền.
Một lợi thế khác là Minimal Fab không cần xây dựng phòng sạch quy mô lớn. Việc tạo môi trường sạch ngay trong các thiết bị giúp giảm thêm chi phí xây dựng và vận hành. Một tài liệu của AIST cũng cho thấy hệ thống được thiết kế với mục tiêu giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng so với nhà máy lớn.
https://www.aist.go.jp/aist_j/magazine/20170301.html
6. Hình thành hệ sinh thái trường, viện, doanh nghiệp vận hành và tham gia Minimal Fab
Minimal Fab đã phát triển thành một hệ sinh thái tại Nhật Bản gồm cơ quan nghiên cứu, trường đại học, doanh nghiệp chế tạo thiết bị, vật liệu, bán dẫn và các doanh nghiệp sử dụng công nghệ.
Danh sách tổ chức khoa học và công nghệ đầu tư vận hành hoặc tham gia Minimal Fab có AIST, JAXA, Viện Khoa học Vật liệu quốc gia Nhật Bản (NIMS) cùng nhiều trường đại học như Đại học Kyoto, Đại học Tohoku, Đại học Nagoya, Đại học Kyushu, Đại học Hokkaido, Đại học Kumamoto, Đại học Kanazawa, Đại học Gunma, Đại học Mie, Đại học Tottori, Đại học Công nghệ Toyohashi, Đại học Quốc gia Yokohama, Đại học Khoa học Tokyo, Đại học Osaka Metropolitan và Viện Khoa học và Công nghệ Nara.
https://www.minimalfab.com/en/about/member.php
Về phía doanh nghiệp, có các công ty như Yokogawa Electric, Murata Manufacturing, Mitsubishi Electric, TDK, Toshiba Electronic Devices & Storage, Hitachi, Sanken Electric, DISCO, HORIBA, Tokyo Electron, Yamaha Motor, Hundred Semiconductors và nhiều doanh nghiệp khác.
https://www.minimalfab.com/en/about/member.php
Một số trường hợp sử dụng đã được công bố rõ. AIST có các cơ sở sử dụng Minimal Fab cho nghiên cứu và đào tạo; JAXA đã phối hợp với AIST chế tạo thử mạch tích hợp khoảng 1.000 transistor.
https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2019/pr20190510/pr20190510.html
Minimal Fab đã phát triển thành một hệ thống có hệ sinh thái doanh nghiệp và nghiên cứu riêng. AIST cho biết hệ thống đã được thương mại hóa và hướng tới các lĩnh vực sản xuất nhiều chủng loại, số lượng nhỏ.
https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2019/pr20190510/pr20190510.html
AIST cũng phát triển các cơ sở Minimal Fab phục vụ nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm và đào tạo. Đây là cách tiếp cận cho phép các nhà nghiên cứu, kỹ sư và doanh nghiệp tiếp cận công nghệ chế tạo chip mà không cần xây dựng ngay một nhà máy bán dẫn lớn.
https://unit.aist.go.jp/ircam/cmf/facility-minimalfab.html
7.Gợi ý cho Việt Nam
Điều đáng tham khảo nhất của Minimal Fab không phải đơn giản là xây dựng “một nhà máy chip nhỏ”, mà là xây dựng một tổ hợp liên tục từ nghiên cứu → chế tạo thử nghiệm → sản xuất thử → sản xuất quy mô nhỏ.
Một tổ hợp như vậy có thể kết nối trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp, cho phép phát triển nhiều loại chip và linh kiện chuyên dụng, thử nghiệm ngay trên sản phẩm và sau đó sản xuất những lô đầu tiên khi sản phẩm có nhu cầu thị trường.
Các hướng ứng dụng có thể gồm UAV, vệ tinh nhỏ, robot, hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), cảm biến, thiết bị đo lường, thiết bị y tế, thiết bị công nghiệp và các hệ thống điện tử chuyên dụng.
Đặc biệt, mô hình này có thể phù hợp với những sản phẩm mà thị trường ban đầu chỉ cần vài trăm, vài nghìn hoặc vài chục nghìn chip, nhưng lại cần nhiều loại chip khác nhau. Đây là khoảng thị trường mà một nhà máy sản xuất hàng loạt rất lớn không nhất thiết có lợi thế kinh tế.
Vì vậy, giá trị nổi bật của Minimal Fab là rút ngắn khoảng cách từ nghiên cứu đến sản phẩm, đồng thời tạo khả năng sản xuất linh hoạt nhiều loại chip với số lượng nhỏ mà không cần đầu tư một nhà máy bán dẫn quy mô lớn.