Một công nghệ bán dẫn có thể hoạt động trong phòng thí nghiệm nhưng vẫn còn rất xa một con chip có thể sản xuất hàng loạt. Giữa hai điểm đó tồn tại một khoảng trống mà Singapore đang tìm cách lấp đầy: các trường đại học thường dừng ở giai đoạn chứng minh công nghệ khả thi, trong khi các nhà máy đang vận hành không thể dành công suất cho những thử nghiệm chưa chắc tạo ra sản phẩm.
Khoảng trống này được gọi là “thung lũng chết”.
Thang đo mức độ sẵn sàng công nghệ (TRL) chia quá trình phát triển thành nhiều cấp độ. Các tổ chức nghiên cứu thường dừng ở TRL 1-3, khi câu hỏi chính là công nghệ có hoạt động hay không. Các nhà sản xuất lại quan tâm đến TRL 7-9, nơi công nghệ phải chứng minh khả năng sản xuất ổn định với tỷ lệ thành phẩm, chi phí và độ tin cậy phù hợp.
TRL 4-6 nằm giữa hai đầu này: một ý tưởng đã hoạt động nhưng phải được biến thành quy trình có thể lặp lại, mở rộng và đưa vào sản xuất.
“Có chuyện gì xảy ra với TRL 4-6? Không ai quan tâm,” giáo sư Ng Geok Ing, giám đốc điều hành Trung tâm Chuyển giao và Đổi mới Bán dẫn Nitride Gali (NSTIC-GaN), nói.
Theo ông Ng, các trường đại học tạo ra rất nhiều ý tưởng nghiên cứu nhưng chỉ một phần nhỏ được đưa ra thị trường. Singapore đang xây dựng các trung tâm nghiên cứu để hoạt động chính ở khoảng trống này.
NSTIC-GaN được thành lập năm 2023 với tên gọi Trung tâm Công nghệ Nitride Gali Quốc gia và hoạt động dưới tên hiện nay từ tháng 6-2025, với sự hỗ trợ của Quỹ Nghiên cứu Quốc gia Singapore. Mô hình tương tự cũng được áp dụng cho các lĩnh vực như đóng gói bán dẫn tiên tiến và quang tử silicon.
Đưa phòng thí nghiệm đến gần nhà máy
Một điểm khác biệt trong cách tiếp cận của Singapore là nghiên cứu trên chính những thiết bị đạt tiêu chuẩn sản xuất, thay vì thiết bị chỉ phục vụ phòng thí nghiệm đại học.
Giáo sư Yeo Yee Chia, phó tổng giám đốc phụ trách đổi mới và doanh nghiệp của Cơ quan Khoa học, Công nghệ và Nghiên cứu Singapore (A*STAR), cho biết trước đây một công nghệ có thể được phát triển thành công trên thiết bị nghiên cứu nhưng sau đó phải làm lại gần như toàn bộ quy trình trên thiết bị đủ tiêu chuẩn sản xuất. Điều đó tạo thêm một vòng phát triển tốn kém và mất thời gian.
Tại NSTIC-GaN, thiết bị đạt tiêu chuẩn sản xuất, nhiều công đoạn kiểm tra được tự động hóa và trung tâm còn thực hiện bước đánh giá, xác nhận quy trình sản xuất. Đây là khâu mà các phòng thí nghiệm đại học thường không làm.
“Chúng tôi đưa kỷ luật của ngành công nghiệp vào đây và cố gắng làm cho quy trình càng gần với một nhà máy sản xuất thực tế càng tốt,” ông Ng nói.
Mục tiêu là khi công nghệ đạt đủ độ trưởng thành và có nhu cầu thương mại, nó có thể được chuyển sang một nhà máy sản xuất wafer mà không phải bắt đầu lại từ đầu.
Ông Ng gọi mô hình này là một “nhà máy đúc quy mô nhỏ”: sản lượng thấp hơn các nhà máy thương mại nhưng tập trung vào nghiên cứu và phát triển công nghệ mới.
Nhà máy không có thời gian để thử mọi ý tưởng
Từ phía doanh nghiệp, lý do khoảng trống này tồn tại khá rõ ràng.
Tan Yew Kong, phó chủ tịch cấp cao kiêm tổng giám đốc phụ trách hoạt động sản xuất tại châu Á – Thái Bình Dương và cơ sở Singapore của GlobalFoundries, cho biết các nhà máy vẫn có đội ngũ nghiên cứu và có thể thử nghiệm trên dây chuyền. Nhưng khả năng này bị giới hạn bởi hoạt động sản xuất.
Khi công suất khan hiếm, từng thiết bị phải phục vụ khách hàng. Nhà máy không thể dành một phần đáng kể công suất cho những thử nghiệm có thể mất nhiều tháng và chưa chắc thành công.
“Đây là vấn đề về tốc độ chứ không phải năng lực,” ông Tan nói. Nếu có đủ thời gian, các nhà máy có thể tự thực hiện công việc này. Vấn đề là họ không có thời gian.
Các viện nghiên cứu lại có sự linh hoạt đó. Họ có thể dừng một quy trình, vệ sinh thiết bị rồi chuyển sang thử nghiệm công nghệ khác mà không phải cân đối với các đơn hàng đang chờ sản xuất.
Mô hình của Singapore vì thế tạo ra một vùng đệm giữa hai bên: đủ gần nhà máy để nghiên cứu có tính thực tế nhưng đủ độc lập để thử nghiệm những công nghệ mà dây chuyền thương mại không thể dành công suất.
Từ 1.000 ý tưởng đến một sản phẩm
Yeo mô tả quá trình phát triển bán dẫn giống như một chiếc phễu.
Có thể bắt đầu với khoảng 1.000 ý tưởng. Khi nghiên cứu tiến triển, phần lớn bị loại vì chi phí, độ phức tạp hoặc không đạt yêu cầu kỹ thuật. Khoảng 100 ý tưởng bước vào giai đoạn tiếp theo, rồi tiếp tục bị sàng lọc cho đến khi chỉ còn một số ít. Cuối cùng, có thể chỉ một ý tưởng được đưa vào sản xuất.
Chi phí cũng tăng nhanh khi công nghệ tiến gần đến nhà máy. Ở giai đoạn đầu, mỗi ý tưởng chỉ cần khoản đầu tư nhỏ. Nhưng càng tiến gần sản xuất, doanh nghiệp càng phải giảm rủi ro về thiết bị, sản lượng và độ ổn định.
Singapore muốn các trung tâm nghiên cứu gánh một phần rủi ro đó trước khi công nghệ đến nhà máy.
Advanced Micro Foundry là một ví dụ. A*STAR tách công ty quang tử silicon này thành doanh nghiệp riêng năm 2017, trước khi GlobalFoundries công bố mua lại vào tháng 11-2025.
A*STAR cũng đang theo đuổi một hướng khác là đưa thiết bị nghiên cứu vào ngay bên trong nhà máy. Cơ quan này đã đặt thiết bị tại cơ sở của STMicroelectronics để cùng phát triển công nghệ hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), trong khi ST cung cấp quyền tiếp cận các thiết bị bổ sung.
GaN là phép thử tiếp theo
NSTIC-GaN hiện sử dụng nitride gali (GaN) làm một trong những lĩnh vực thử nghiệm quan trọng cho mô hình này.
GaN là vật liệu bán dẫn được sử dụng trong các thiết bị điện tử công suất và tần số cao. Công nghệ này có tiềm năng lớn nhưng vẫn còn tương đối non trẻ.
Trung tâm đặt mục tiêu hoàn thành bộ công cụ thiết kế quy trình cho wafer 6 inch vào tháng 1-2027 và xác nhận quy trình vào giữa năm đó. Quy trình trên wafer 4 inch đã được chứng minh với một khách hàng.
A*STAR cũng hợp tác với Rohde & Schwarz phát triển transistor GaN trên nền silicon carbide cho các ứng dụng sóng milimet trên 100 GHz.
Ông Ng thừa nhận GaN vẫn đang ở giai đoạn đầu so với những lĩnh vực mà Singapore đã có nền tảng vững chắc hơn. “Chúng tôi vẫn đang cố gắng bắt kịp”, ông nói.
Đó cũng là lý do Singapore muốn can thiệp vào khoảng giữa nghiên cứu và sản xuất: không thay thế trường đại học hay nhà máy, mà giảm số công nghệ chết giữa hai bên.
Với ngành bán dẫn, nơi mỗi vòng thử nghiệm có thể tiêu tốn nhiều thời gian và tiền bạc, rút ngắn đoạn đường từ một ý tưởng hoạt động được đến một quy trình sản xuất đáng tin cậy có thể quyết định công nghệ nào thực sự bước ra khỏi phòng thí nghiệm.
Các khu vực xử lý ủ nhiệt, khắc khô và mạ bên trong phòng sạch của NSTIC-GaN. Trung tâm sử dụng thiết bị đạt tiêu chuẩn sản xuất để các quy trình có thể được chuyển sang nhà máy thương mại mà không phải xây dựng lại. Ảnh: Tech Wire Asia
Các mạch tích hợp vi sóng đơn khối trên wafer GaN phủ silicon carbide đường kính 100 mm, được chế tạo tại Đại học Công nghệ Nanyang và trưng bày tại NSTIC-GaN. Ảnh: Tech Wire Asia
