Cuộc Cách Mạng Silicon Tùy Chỉnh: Cách Các Tập Đoàn Công Nghệ Đang Nắm Quyền Thiết Kế Vi Chip

Ngành công nghiệp bán dẫn đang trải qua một sự thay đổi căn bản về động lực quyền lực. Những gì từng là lĩnh vực độc quyền của các nhà thiết kế chip chuyên biệt như Qualcomm và Intel giờ đây trở thành một yếu tố chiến lược bắt buộc đối với các tập đoàn công nghệ lớn trong nhiều lĩnh vực. Sự chuyển đổi này tập trung vào việc ngày càng nhiều doanh nghiệp áp dụng silicon tùy chỉnh—các loại bán dẫn đặc biệt được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu kinh doanh chính xác thay vì dựa vào các giải pháp có sẵn trên thị trường.

Thông báo gần đây của Xiaomi về bộ xử lý di động XRING 01 là một ví dụ điển hình cho xu hướng rộng lớn này. Nhà sản xuất điện thoại Trung Quốc, tận dụng quy trình sản xuất tiên tiến 3nm của TSMC, gia nhập câu lạc bộ độc quyền gồm Apple, Samsung và Huawei trong việc thiết kế chip riêng cho thiết bị của mình. Quyết định này cho thấy rằng silicon tùy chỉnh đã vượt ra ngoài lợi thế cạnh tranh—nó đang trở thành hạ tầng thiết yếu cho các công ty muốn tạo sự khác biệt trong thị trường đông đúc.

Hiểu rõ tầm quan trọng chiến lược đằng sau thiết kế bán dẫn tùy chỉnh

Tại sao các công ty ngày càng sẵn sàng bỏ ra hàng tỷ đô để phát triển chip riêng của mình thay vì mua từ các nhà cung cấp đã có uy tín? Câu trả lời nằm ở nhiều yếu tố hội tụ mà các nhà cung cấp truyền thống gặp khó khăn trong việc giải quyết.

Hiệu năng và tối ưu hóa năng lượng đứng ở hàng đầu trong động lực này. Khi các công ty kiểm soát kiến trúc chip từ giai đoạn ý tưởng, họ có thể tinh chỉnh từng thành phần để phù hợp với phần mềm, thuật toán và khối lượng công việc cụ thể của mình. Các chip dòng M của Apple minh họa rõ nguyên tắc này: bằng cách tích hợp các bộ xử lý neural tùy chỉnh tối ưu cho AI trên thiết bị, Apple mang lại hiệu suất vượt trội và hiệu quả pin so với các bộ xử lý chung. Đối với các ứng dụng đòi hỏi xử lý AI cao, sự tích hợp theo chiều dọc này trở nên vô cùng giá trị—các nhà cung cấp dịch vụ siêu lớn như Google và Amazon có thể thiết kế chip phù hợp chính xác với mô hình tính toán của họ thay vì phải điều chỉnh phần mềm cho phù hợp với phần cứng.

Hiệu quả kinh tế là yếu tố thúc đẩy thứ hai. Trong khi phát triển silicon tùy chỉnh đòi hỏi đầu tư ban đầu lớn, các nhà sản xuất quy mô lớn có thể thu hồi chi phí này bằng cách loại bỏ lợi nhuận trung gian. Đối với các công ty sản xuất hàng triệu đơn vị mỗi năm, ngay cả giảm chi phí trên mỗi đơn vị cũng tạo ra hàng tỷ đô la tiết kiệm. Đội ngũ 1.000 người của Xiaomi thể hiện một khoản đầu tư có tính toán dựa trên mô hình kinh tế dựa trên khối lượng mà các đối thủ nhỏ hơn không thể cạnh tranh.

Tự chủ chuỗi cung ứng ngày càng trở nên quan trọng trong bối cảnh căng thẳng địa chính trị và thiếu hụt linh kiện. Các công ty thiết kế chip nội bộ có thể độc lập chiến lược với các nhà cung cấp bên ngoài—họ kiểm soát mối quan hệ sản xuất, ưu tiên lộ trình phát triển và các vòng lặp thiết kế mà không bị ràng buộc bởi các yếu tố bên ngoài. Sự tự chủ này đã chứng minh giá trị trong cuộc khủng hoảng thiếu chip năm 2021-2022, khi các công ty phụ thuộc vào nhà cung cấp bên thứ ba gặp khó khăn trong sản xuất, trong khi các nhà tích hợp theo chiều dọc vẫn duy trì được nguồn cung liên tục.

Sự khác biệt cạnh tranh thông qua khả năng silicon độc quyền tạo ra các rào cản thị trường có thể phòng thủ. Khi phần cứng được thiết kế chặt chẽ phù hợp với hệ sinh thái phần mềm và dịch vụ cụ thể, các đối thủ cạnh tranh gặp khó khăn trong việc sao chép trải nghiệm tích hợp—chiến lược mà Apple đã hoàn thiện với hệ sinh thái Silicon-đến-phần mềm của mình và các nhà siêu lớn hiện nay áp dụng trong cạnh tranh trung tâm dữ liệu.

Hệ sinh thái ngày càng mở rộng của các nhà phát triển silicon tùy chỉnh

Phong trào silicon tùy chỉnh bao gồm ba phân khúc riêng biệt nhưng chồng chéo của ngành công nghệ, mỗi phân khúc theo đuổi các mục tiêu khác nhau và tận dụng các khả năng khác nhau.

Nhà sản xuất thiết bị tiêu dùng là phân khúc rõ nét nhất. Apple dẫn đầu với kinh nghiệm hơn một thập kỷ trong việc thiết kế chip dòng A cho iPhone, đồng thời chuyển đổi thành công các dòng Mac sang bộ xử lý M độc quyền. Samsung sản xuất chip Exynos cho các thiết bị Galaxy, mặc dù với mức độ tích hợp theo chiều dọc ít hơn Apple. Xiaomi thể hiện sự tự tin trong việc phát triển chip di động cạnh tranh qua XRING 01. Huawei tiếp tục phát triển các thiết kế tùy chỉnh qua các dòng Kirin và Ascend, mặc dù các hạn chế xuất khẩu của Mỹ đã hạn chế khả năng tiếp cận các quy trình sản xuất tiên tiến.

Nhà vận hành đám mây siêu lớn đã nổi lên như một lực lượng thứ hai đang định hình lại cảnh quan silicon tùy chỉnh. Google đã triển khai TPU (Tensor Processing Units) cho các khối lượng công việc AI trung tâm dữ liệu từ năm 2016—một khoản đầu tư kéo dài hơn một thập kỷ nay đã mang lại lợi ích rõ ràng. Amazon phát triển chip Trainium cho huấn luyện mô hình và Inferentia cho tối ưu hóa suy luận, với báo cáo đầu tư hàng tỷ đô vào các chip riêng trong hạ tầng trung tâm dữ liệu ngày càng mở rộng. Microsoft và Meta cũng theo đuổi chiến lược silicon tùy chỉnh để tối ưu hóa kinh tế trung tâm dữ liệu và dịch vụ AI. Các yêu cầu tính toán khổng lồ của các công ty này khiến họ phải xây dựng toàn bộ tổ chức thiết kế bán dẫn—họ không phải là người dùng chip nhỏ lẻ mà là những nhà xây dựng hạ tầng tính toán lớn nhất thế giới.

Các nhà thiết kế chuyên biệt mới nổi là phân khúc thứ ba, mặc dù khác biệt so với silicon tùy chỉnh truyền thống. Các công ty như Cerebras (phát triển kiến trúc wafer-scale) và Groq (thiết kế các TPU thay thế) tạo ra silicon chuyên biệt hướng tới các khối lượng công việc AI, cung cấp các lựa chọn mới thay thế các kiến trúc GPU truyền thống. Mặc dù không thiết kế chip dành riêng cho sản phẩm của chính họ, nhưng họ thể hiện nguyên tắc silicon tùy chỉnh ứng dụng vào các mô hình tính toán mới nổi.

Áp lực cạnh tranh đối với các nhà cung cấp chip truyền thống

Sự trỗi dậy của silicon tùy chỉnh tạo ra những thách thức cấu trúc cho các nhà cung cấp bán dẫn truyền thống hoạt động theo mô hình sản phẩm tiêu chuẩn.

Qualcomm có thể đối mặt với sự gián đoạn rõ rệt nhất. Các công ty từng phụ thuộc vào các bộ xử lý Snapdragon—Apple, Samsung, Xiaomi—nay tự thiết kế các lựa chọn thay thế, loại bỏ doanh số chip cao cấp cho các khách hàng giá trị cao nhất. Đây là những khách hàng tinh vi nhất của Qualcomm, có khả năng phân tích ngược thiết kế của đối thủ và tự xây dựng năng lực nội bộ. Sự chuyển dịch này khiến Qualcomm phải cạnh tranh trong các phân khúc trung cấp và giá rẻ hơn, nơi silicon tùy chỉnh còn chưa khả thi về mặt kinh tế đối với các nhà sản xuất nhỏ hơn.

NVIDIA đối mặt với một thách thức khác nhưng cũng không kém phần quan trọng. Trong khi vẫn giữ vị thế thống trị trong thị trường GPU đa dụng, các nhà siêu lớn ngày càng thay thế các cụm GPU đắt tiền bằng các bộ tăng tốc AI tối ưu nội bộ. Các chip Trainium và Inferentia của Amazon, danh mục TPU của Google, và các thiết kế tùy chỉnh của Meta giảm sự phụ thuộc vào các sản phẩm có lợi nhuận cao của NVIDIA. NVIDIA phải thích nghi bằng cách tiến lên phía trước vào phần mềm nền tảng và cung cấp các công cụ để các nhà siêu lớn tích hợp vào kiến trúc tùy chỉnh thay vì chỉ bán sản phẩm vật lý.

Áp lực cạnh tranh này không đồng đều—các công ty thiết kế giải pháp tối ưu về chi phí cho các phân khúc nhạy cảm về giá ít bị ảnh hưởng hơn so với các nhà thiết kế chip cao cấp. Nhưng xu hướng rõ ràng: khi silicon tùy chỉnh trở nên khả thi về mặt kỹ thuật cho các tập đoàn lớn hơn, các nhà cung cấp truyền thống sẽ mất đi những khách hàng chiến lược nhất của mình vào các thiết kế cạnh tranh.

Hạ tầng hỗ trợ: TSMC và vị thế củng cố của Arm

Ngược lại, trong khi silicon tùy chỉnh gây rối loạn cho các nhà cung cấp chip truyền thống, nó lại củng cố vị thế của các nhà cung cấp hạ tầng sản xuất và sở hữu trí tuệ—đặc biệt là TSMC và Arm.

Mô hình nhà máy đúc (foundry) do TSMC tiên phong đã chứng minh là yếu tố then chốt cho sự bùng nổ silicon tùy chỉnh. Xây dựng nhà máy bán dẫn đòi hỏi đầu tư từ 10-20 tỷ đô và nhiều thập kỷ kinh nghiệm vận hành—đây là rào cản lớn đối với hầu hết các công ty dù có khả năng thiết kế. TSMC loại bỏ rào cản này bằng cách cung cấp quyền truy cập vào các node công nghệ tiên tiến (hiện tại là 3nm, sắp tới là 2nm) theo hợp đồng. Apple không tự sản xuất chip; họ thiết kế và thuê TSMC sản xuất. Xiaomi theo logic tương tự. Google, Amazon và Meta tận dụng TSMC để biến các thiết kế tối ưu phần mềm thành silicon vật lý mà không cần xây dựng nhà máy riêng. Khi silicon tùy chỉnh ngày càng phổ biến, năng lực sản xuất của TSMC trở nên có giá trị hơn—công ty cùng lúc sản xuất chip cho Apple, Xiaomi, AMD, Qualcomm và vô số đối tác khác.

Tương tự, mô hình cấp phép IP của Arm cũng được củng cố qua việc chấp nhận silicon tùy chỉnh. Hầu hết các thiết kế chip phức tạp, bao gồm XRING 01 của Xiaomi, đều dựa trên kiến trúc Arm đã được cấp phép (như Cortex-X925, GPU Immortalis-G925). Thay vì tự thiết kế bộ xử lý từ nguyên lý nền tảng, các công ty cấp phép các lõi đã qua kiểm chứng và tùy chỉnh các thành phần xung quanh. Điều này rút ngắn đáng kể chu kỳ phát triển—Xiaomi không thể phát triển silicon tùy chỉnh cạnh tranh thực sự nếu không có hàng thập kỷ kinh nghiệm và xác thực kiến trúc, điều mà Arm cung cấp ngay lập tức qua giấy phép. Khi ngày càng nhiều công ty theo đuổi thiết kế tùy chỉnh, IP cốt lõi của Arm trở thành hạ tầng có giá trị ngày càng tăng.

Điều này tạo ra một sự phân đôi thú vị: silicon tùy chỉnh làm giảm biên lợi nhuận của các nhà cung cấp chip truyền thống trong khi đồng thời củng cố vị thế của các nhà sản xuất chuyên biệt và các nhà cung cấp IP, mỗi bên chiếm giữ các vị trí khác nhau trong chuỗi giá trị.

Khung pháp lý: Các sắc thái trong kiểm soát xuất khẩu và silicon tùy chỉnh

Thông báo về XRING 01 của Xiaomi làm sáng tỏ những sắc thái quan trọng trong các chế độ kiểm soát xuất khẩu của Mỹ, thường bị xem nhẹ.

Các hạn chế của Mỹ nhằm vào các công ty Trung Quốc hiện tập trung chiến lược vào các chip AI cao cấp và bán dẫn quân sự thay vì cấm hoàn toàn tất cả các quy trình sản xuất tiên tiến. Điều này giải thích tại sao Xiaomi—mặc dù là công ty Trung Quốc—có thể thiết kế bộ xử lý di động tinh vi và hợp đồng TSMC (đặt tại Đài Loan, sử dụng công nghệ Mỹ) để sản xuất trên các node 3nm. Khung pháp lý phân biệt rõ giữa chip tiêu dùng và các loại bán dẫn chiến lược.

Huawei đối mặt với các hạn chế nghiêm trọng hơn nhiều, mất khả năng tiếp cận đáng tin cậy với các quy trình sản xuất tiên tiến. Điều này phản ánh các hạn chế có mục tiêu đối với các công ty bị coi là rủi ro an ninh chứ không phải cấm xuất khẩu dựa trên quốc tịch. Sự khác biệt giữa tự do tương đối của Xiaomi và các hạn chế của Huawei cho thấy kiểm soát xuất khẩu vẫn tập trung vào các thực thể và công nghệ cụ thể hơn là cấm hoàn toàn các công ty Trung Quốc tham gia thiết kế chip.

Điều này ảnh hưởng đến cạnh tranh: các công ty Trung Quốc tham gia thị trường tiêu dùng có thể theo đuổi chiến lược silicon tùy chỉnh bằng cách sử dụng các nhà máy toàn cầu, trong khi các công ty bị coi là mối đe dọa chiến lược phải đối mặt với các rào cản sản xuất. Bức tranh vẫn mang tính bất đối xứng nhưng không hoàn toàn hạn chế.

Tương lai tất yếu của việc mở rộng sử dụng silicon tùy chỉnh

Tiến trình phát triển trong tương lai dự kiến sẽ thúc đẩy việc mở rộng silicon tùy chỉnh trong nhiều lĩnh vực và phân khúc thị trường hơn nữa, dựa trên ba lực lượng hội tụ.

Thứ nhất, cường độ tích hợp AI tiếp tục tăng. Khi học máy trở thành phần không thể thiếu trong các hệ thống ô tô, thiết bị công nghiệp, điện tử tiêu dùng và hạ tầng đám mây, các công ty có động lực mạnh hơn để thiết kế silicon tối ưu hóa riêng cho các thuật toán và mô hình AI của họ. Các bộ xử lý chung mang lại hiệu suất không tối ưu trong các ứng dụng đậm đặc AI, tạo ra áp lực phải tùy chỉnh.

Thứ hai, việc tiếp cận sản xuất dân chủ hóa thông qua dịch vụ foundry tiếp tục giảm rào cản thiết kế chip. Các công ty trước đây không thể đủ khả năng đầu tư vào thiết kế bán dẫn giờ đây có thể tiếp cận các node công nghệ tiên tiến qua các nhà sản xuất hợp đồng. Điều này mở rộng khả năng silicon tùy chỉnh vượt ra ngoài Apple và các nhà siêu lớn đến các công ty công nghệ vừa và nhỏ.

Thứ ba, động lực cạnh tranh củng cố xu hướng này. Khi các tập đoàn hàng đầu sử dụng silicon tùy chỉnh để đạt lợi thế về hiệu năng và chi phí, các đối thủ buộc phải theo kịp hoặc đối mặt với bất lợi chiến lược. Hiệu ứng dây chuyền này khiến việc áp dụng silicon tùy chỉnh mở rộng từ các công ty tiên phong đến các tổ chức công nghệ chính thống.

Cuộc cách mạng silicon tùy chỉnh đại diện cho một sự tổ chức lại căn bản các cấu trúc quyền lực trong ngành công nghiệp bán dẫn. Kỹ năng sản xuất và cấp phép IP—được thể hiện qua TSMC và Arm—hợp nhất sức mạnh, trong khi các nhà cung cấp chip truyền thống đối mặt với áp lực giảm biên lợi nhuận. Các công ty có khả năng thiết kế riêng thoát khỏi phụ thuộc vào các nhà cung cấp chuyên biệt. Quá trình này sẽ tiếp tục tăng tốc khi các công ty công nghệ ưu tiên kiểm soát phần cứng như một yếu tố trung tâm trong chiến lược cạnh tranh, và khi hạ tầng hỗ trợ thiết kế silicon tùy chỉnh ngày càng dễ tiếp cận và hợp lý về mặt kinh tế cho các tổ chức muốn tạo sự khác biệt qua phần cứng đặc thù.