TSMC dẫn đầu trong lĩnh vực quang học đóng gói chung (CPO) cho trung tâm dữ liệu, các công tắc CPO của Broadcom và NVIDIA dựa trên công nghệ của TSMC đã được gửi mẫu hoặc giao hàng cho khách hàng.

Tác giả bài viết, nguồn: Wall Street Journal

Trong cuộc cạnh tranh về “Quang học đóng gói chung (CPO)” tại trung tâm dữ liệu hiện tại, TSMC đã giành được lợi thế nhờ tiến bộ của các sản phẩm từ Broadcom và NVIDIA. Trong khi đó, Samsung có thể đang đặt cược vào giai đoạn tiếp theo.

Ngày 12 tháng 7, tổ chức PhotonCap đã công bố bài viết điều tra thực địa, chỉ ra rằng CPO dành cho switch đã chính thức bước từ giai đoạn xác minh công nghệ sang giai đoạn triển khai cho khách hàng.

Khả năng sản xuất và đóng gói tiên tiến của TSMC trong lĩnh vực này đã được xác minh thông qua các dự án thương mại hàng đầu đầu tiên. Tuy nhiên, trận chiến trong tương lai sẽ phức tạp hơn nhiều so với CPO switch hiện tại.

Khi Optical I/O (giao diện quang học) được tích hợp sâu vào bên trong gói chip tính toán hỗn hợp (XPU) và bộ nhớ băng thông cao (HBM), ai kiểm soát được thiết kế phối hợp của ba yếu tố này sẽ tái định hình toàn bộ chiều cạnh cạnh tranh của ngành.

Vào ngày 9 tháng 7, Phó Chủ tịch cấp cao của Samsung Electronics, Won-Kyoung Choi, đã đề cập tại Nano Korea rằng công ty đang phát triển đóng gói tiên tiến 2.xD, nhằm tích hợp HBM, chip logic và chip quang học silic vào cùng một gói. Hướng đi này nhắm tới I/O quang học cho đóng gói tính toán AI trong tương lai.

Hiện tại, TSMC dẫn đầu trong lĩnh vực “CPO switch”

Trong thị trường CPO hiện tại, TSMC là người dẫn đầu không thể tranh cãi.

Nghiên cứu cho thấy Broadcom đã gửi mẫu switch Ethernet CPO 102.4Tbps dựa trên nền tảng COUPE (Compact Universal Photonic Engine) của TSMC đến các khách hàng sớm.

Đồng thời, bộ chuyển đổi photon Quantum-X của NVIDIA đã bắt đầu được giao hàng, và bộ chuyển đổi photon Ethernet Spectrum-X đã bước vào giai đoạn sản xuất, với những người sử dụng đầu tiên bao gồm CoreWeave, Lambda và Oracle.

Điểm chung của thế hệ sản phẩm này là động cơ quang học được triển khai gần ASIC chuyển mạch (vi mạch tích hợp chuyên dụng). Nền tảng sản xuất cốt lõi là công nghệ quang tử silic trưởng thành của TSMC và khả năng xếp chồng 3D SoIC.

Trong kiến trúc này, trọng tâm cạnh tranh là việc xếp chồng, liên kết mạch tích hợp quang học (PIC) với mạch tích hợp điện tử (EIC), cũng như tích hợp chúng vào bao bì công tắc. Ở giai đoạn này, HBM không phải là thành phần bắt buộc.

So sánh với đó, lộ trình "giải pháp CPO toàn diện (Turnkey)" mà Samsung công bố nhắm đến năm 2029. Nếu dựa trên số lượng CPO switch đã giao và xác nhận của khách hàng hiện tại làm tiêu chí đánh giá, Samsung vẫn chưa đạt được nhịp độ thương mại hóa tương đương với TSMC.

Nỗi lo về công suất tiêu thụ đang thúc đẩy các động cơ quang học tiến gần hơn đến các chip tính toán

Lý do cốt lõi khiến I/O quang học phải di chuyển từ cấp bảng truyền thống sang bên trong bao bì là mức tiêu thụ năng lượng.

Tài liệu trưng bày mà Samsung Foundry chuẩn bị cho OECC 2026 đã tiết lộ một bước tiến quan trọng:

Khi module quang có thể tháo rời được triển khai ở cấp bảng, năng lượng tiêu thụ trên mỗi bit khoảng 10 pJ;
Khi động cơ quang được đặt trên bo mạch nền (Substrate) gần công tắc, mức tiêu thụ năng lượng giảm xuống khoảng 5 pJ;
Nếu quang I/O được triển khai sâu hơn vào lớp trung gian (Interposer) gần XPU, mức tiêu thụ năng lượng có thể giảm đáng kể xuống khoảng 2pJ.

Logic cốt lõi của sự thay đổi này là “giảm khoảng cách truyền tín hiệu điện”. Khi động cơ quang càng gần chip tính toán, đường dẫn điện càng ngắn, do đó cần ít điều chỉnh tín hiệu hơn để bù đắp tổn thất trên mạch in và đầu nối.

Do đó, đóng gói tiên tiến trở thành khâu then chốt để chuyển hóa “lợi thế tiêu thụ năng lượng vật lý” thành “lợi thế sản phẩm thương mại”. Điều này không có nghĩa là CPO sẽ ngay lập tức loại bỏ các mô-đun quang có thể tháo rời; cả hai sẽ cùng tồn tại lâu dài trong các khoảng cách truyền tải và ngân sách tiêu thụ năng lượng khác nhau.

Tuy nhiên, dự báo dữ liệu của Samsung tiết lộ rằng thị trường quang học có thể tháo rời đang tăng trưởng hàng năm vượt quá 25%, trong khi thị trường CPO tăng trưởng hàng năm lên tới hơn 150%. Nguồn vốn và tài nguyên nghiên cứu & phát triển đang đổ dồn mạnh mẽ vào các kiến trúc quang học tích hợp cao.

Hai kiến trúc CPO, sự cạnh tranh lệch pha giữa Samsung và TSMC

Việc nhầm lẫn “CPO switch” với “XPU-HBM optical I/O” sẽ đánh giá thấp nghiêm trọng độ phức tạp của cuộc cạnh tranh ở giai đoạn tiếp theo. Thực tế, đây là hai kiến trúc hoàn toàn khác nhau:

Loại đầu tiên là “CPO switch” đang là tiêu chuẩn hiện nay. Bộ quang học được đặt cạnh ASIC của switch, các sản phẩm của Broadcom và NVIDIA thuộc loại này. Nó giải quyết các vấn đề về công suất liên kết và tính toàn vẹn tín hiệu trong các kịch bản chuyển mạch băng thông cao. Rào cản cạnh tranh của TSMC nằm ở công nghệ silicon quang, công nghệ liên kết tiên tiến và tích hợp bao bì switch.

Loại thứ hai là bao bì I/O quang học dành cho hệ thống XPU-HBM. Cấu trúc của nó là đồng thời bố trí XPU (hoặc GPU), HBM và động cơ quang học chứa PIC và EIC trên lớp trung gian. Lúc này, I/O quang học không còn là thành phần ngoại vi của công tắc, mà thực sự trở thành một phần của “bao bì tính toán”.

Các nhà quản lý của Samsung gần đây đã đề xuất công nghệ đóng gói tiên tiến 2.xD nhằm hướng tới hướng đi này. Giải pháp này kế hoạch tích hợp HBM, chip logic và chip quang silicon trong cùng một gói, đồng thời mở rộng khả năng đóng gói hệ thống thông qua lớp tái phân phối cấp bảng (RDL), nhằm đáp ứng nhu cầu thông lượng băng thông khổng lồ của các trung tâm dữ liệu AI.

Đối với các nhà đầu tư, logic cạnh tranh của hai kiến trúc này hoàn toàn khác nhau: kiến trúc trước tiên thử thách quy trình sản xuất và đóng gói đơn lẻ; trong khi kiến trúc sau yêu cầu tối ưu hóa sâu sắc cùng nhau ngay từ giai đoạn thiết kế giữa tính toán, bộ nhớ, quang học và đóng gói.

The underlying factors of Samsung and the practical constraints of multi-die yield

Lợi thế khác biệt tiềm năng lớn nhất của Samsung nằm ở mô hình kinh doanh "ba trong một", với khả năng đồng thời sở hữu HBM, dịch vụ sản xuất chip logic và nền tảng quang học silicon.

TSMC dù sở hữu năng lực gia công logic hàng đầu, công nghệ quang silicon và bao bì CoWoS, nhưng bản thân không sản xuất HBM.

Samsung đã có thể kết nối HBM với năng lực sản xuất bán dẫn của mình thông qua nền tảng SF4, đồng thời xây dựng nền tảng quang silicon riêng. Điều này có nghĩa là, về lý thuyết, Samsung có thể thực hiện thiết kế đồng bộ nội bộ cho giao diện HBM, logic I/O, động cơ quang học và quản lý nhiệt, mà không cần phụ thuộc vào các nhà cung cấp bộ nhớ bên ngoài.

2.xD đang đối mặt với thử thách khắt khe về “tỷ lệ sản phẩm nhiều chip”. Khi chip logic, HBM, PIC, EIC và lớp trung gian được nhét vào cùng một gói, sự cố của bất kỳ thành phần nào cũng sẽ dẫn đến việc toàn bộ gói đắt tiền bị loại bỏ.

Sự gia tăng số lượng chip, diện tích bao bì mở rộng và độ phức tạp của quá trình liên kết đang làm gia tăng đáng kể áp lực về tỷ lệ sản phẩm đạt yêu cầu và rủi ro chi phí.

Meanwhile, competitors have not been idle. TSMC is advancing the integration of COUPE with CoWoS packaging, connecting to HBM through a mature external ecosystem.

Mặt khác, gã khổng lồ lưu trữ SK Hynix cũng đang khẩn trương bổ sung năng lực đóng gói tiên tiến, với nhà máy đóng gói tiên tiến đầu tư 3,87 tỷ USD tại Indiana, Mỹ, dự kiến bắt đầu sản xuất hàng loạt vào năm 2028, đồng thời đã đưa CPO vào danh mục nghiên cứu và phát triển công nghệ cho hệ thống bộ nhớ.

Sự phối hợp liên ngành giữa quang học, bộ nhớ và đóng gói đang trở thành điểm nhấn chung của toàn bộ chuỗi giá trị.

Đơn hàng mới là tiêu chuẩn duy nhất để xác định thắng thua

TSMC đã giành chiến thắng đầu tiên trong cuộc cạnh tranh CPO switch, với lợi thế dựa trên việc khách hàng thực tế gửi mẫu sản phẩm, giao hàng và tiến độ sản xuất hàng loạt.

Trong khi đó, Samsung đang đặt cược vào trận chiến tiếp theo: nỗ lực tận dụng khả năng tích hợp dọc của chính mình trong HBM, logic và quang học silicon để vượt lên dẫn đầu trong lĩnh vực đóng gói tính toán AI.

Tuy nhiên, thị trường không nên đồng nhất “đường đi công nghệ” với “hào bảo vệ kinh doanh”.

Trong 12 tháng tới, tín hiệu đáng theo dõi nhất trong ngành chỉ có một: Liệu có xuất hiện đơn đặt hàng thiết kế từ khách hàng có tên tuổi yêu cầu gộp HBM, chip logic và optical I/O vào cùng một bao bì để giao cho Samsung sản xuất?

Nếu đơn hàng này được thực hiện, "tam giác chiến lược" của Samsung sẽ được chuyển từ tài sản trên giấy thành công cụ kinh doanh thực sự.

Nếu không thể thực hiện kịp thời, thì con đường linh hoạt mà TSMC xây dựng dựa trên công nghệ tiên tiến và hệ sinh thái HBM bên ngoài vẫn sẽ là lựa chọn an toàn nhất cho các ông lớn AI.