Nơi duy nhất ngành bán dẫn thế giới phụ thuộc

Appalachian và Spruce Pine – vùng đất này không phải là nơi giàu có, khu trung tâm chỉ có một nhà ga xe lửa, vài dãy nhà gạch hai tầng, một rạp chiếu phim đã đóng cửa từ lâu. Tuy nhiên, các ngọn núi bao quanh có rất nhiều loại khoáng sản đáng mơ ước, một số có giá trị cho sử dụng công nghiệp, đặc biệt là thạch anh.

Tuy nhiên, không giống như bất kỳ loại thạch anh nào khác trên trái đất, ở Spruce Pine có thạch anh tự nhiên tinh khiết nhất. Sự lắng đọng cực kỳ ưu việt của các hạt silicon dioxide này đóng một vai trò quan trọng trong việc sản xuất silicon dùng để chế tạo các loại chip bán dẫn.

Glover là một nhà địa chất đã nghỉ hưu – đã dành nhiều thập kỷ để săn lùng các khoáng sản có giá trị ở sườn đồi và vùng trũng của dãy Appalachian và Spruce Pine, đánh giá: “Ở đây là một ngành công nghiệp trị giá hàng tỷ USD”, Glover nói với một tràng cười sảng khoái với Wired. “Bạn sẽ không thể biết được khi lái xe qua đây và có thể sẽ không bao giờ biết điều đó”.

Trong thế kỷ 21, cát trở nên quan trọng hơn bao giờ hết, đặc biệt là lĩnh vực bán dẫn. Hầu hết cát trên thế giới đều được cấu tạo từ thạch anh, một dạng silicon dioxide, còn được gọi là silica. Các hạt silicon dioxide có độ tinh khiết cao là nguyên liệu thô thiết yếu để sản xuất chip máy tính, cáp quang và các loại phần cứng công nghệ cao khác. Số lượng thạch anh được sử dụng cho các sản phẩm này rất nhỏ so với hàng núi thạch anh được sử dụng để cải tạo bê tông hoặc đất. Nhưng tác động của nó là không thể đo lường trong thời đại kỹ thuật số.

Việc tinh chế thạch anh tinh khiết rất khó khăn, nhưng Spruce Pine được thiên nhiên ban tặng một mỏ thạch anh cực lớn và được xem là tinh khiết nhất thế giới. Nó là kết quả của lịch sử địa chất độc đáo, khi cách đây khoảng 380 triệu năm, các vận động địa chất giữa lục địa châu Phi va chạm với châu Mỹ đã tạo nên ma sát với nhiệt độ vượt 2.000 độ C gây nóng chảy các lớp đá, gọi là pegmatite. 100 năm sau, lớp đá nóng chảy bị chôn sâu dưới lòng đất này nguội đi và kết tinh lại. Qua các hoạt động địa chất, chúng bắt đầu trồi lên bề mặt.

Trong nhiều năm, người dân địa phương đào pegmatite, nghiền nát chúng bằng dụng cụ cầm tay hoặc máy móc thô sơ, tách fenspat và mica để sử dụng, còn thạch anh bị coi là “rác rưởi”, chỉ phù hợp làm cát xây dựng hoặc vứt bỏ. Tuy nhiên, vào giữa những năm 1950, cách Bắc Carolina hàng nghìn dặm, một nhóm kỹ sư ở California bắt đầu nghiên cứu thạch anh tinh khiết cho bán dẫn.

Khi đó, thị trường bóng bán dẫn đang nóng lên nhanh chóng. Texas Instruments, Motorola và các công ty khác bắt đầu chạy đua tạo ra các bóng bán dẫn nhỏ và hiệu quả hơn để sử dụng trong máy tính. Một trong các chất có trong bóng bán dẫn là germanium và silicon.

Bước đột phá đến vào năm 1959, khi Robert Noyce và các đồng nghiệp của ông ở Fairchild Semiconductor tìm ra cách nhồi nhét nhiều bóng bán dẫn vào một mảnh silicon có độ tinh khiết cao có kích thước bằng móng tay. NASA đã chọn vi mạch của Fairchild để sử dụng trong các chương trình chinh phục không gian, còn doanh số chip của công ty cũng tăng nhanh từ đó.

Việc tạo ra những con chip đó là một quá trình vô cùng phức tạp. Về cơ bản chúng yêu cầu silicon nguyên chất, bởi chỉ cần một tạp chất nhỏ nhất, mọi thứ bị hỏng. Việc tìm silicon rất dễ dàng bởi nó là một trong những nguyên tố phong phú nhất trên Trái đất. Dù vậy, chúng đòi hỏi rất nhiều công đoạn tách chiết. Việc dùng thạch anh tinh khiết sẽ giúp thời gian và chi phí giảm đáng kể.

Thông thường, cát sẽ được nung trong lò điện ở nhiệt độ cao nhằm ra phản ứng hóa học tách ra phần lớn oxy, giữ lại silicon với 99% nguyên chất. Tuy nhiên, điều đó là chưa đủ. Silicon cho tấm pin mặt trời phải có độ tinh khiết 99,999999%, còn chip máy tính thậm chí khắt khe hơn, 99,99999999999%. Nhưng với thạch anh ở Spruce Pine, độ tinh khiết có thể đạt 99,998%, thậm chí 99,9992% – yếu tố giúp giảm đáng kể chi phí tách tạp chất.

Nhưng ngay cả khi có thạch anh tinh khiết, không phải ai cũng có thể tinh chế được silicon nguyên chất. “Nền kinh tế hiện đại nằm trên một con đường duy nhất ở Spruce Pine, nơi dẫn đến cơ sở của Sibelco North America, một công ty khai thác và tinh chế thạch anh có độ tinh khiết cực cao”, giáo sư Ethan Mollick, một chuyên gia nghiên cứu về AI và bán dẫn tại trường kinh doanh Wharton thuộc Đại học Pennsylvania, nói với Tom’s Hardware.

Trên website, Sibelco cũng tuyên bố là “nhà cung cấp thạch anh duy nhất, cho việc tinh chế các tấm silicon trong sản xuất chip”. Dù vậy, sự tồn tại của công ty không được biết đến nhiều như TSMC, Intel, ASML hay Samsung trong lĩnh vực bán dẫn.

Một số chuyên gia đánh giá, sự độc tôn của Sibelco được thể hiện thông qua việc thạch anh nung chảy do công ty sản xuất cung cấp các đặc tính quang, cơ và nhiệt “tuyệt vời” cho sản xuất bán dẫn, tế bào quang điện ở pin mặt trời cũng như sợi quang trong cáp quang viễn thông.

Theo Mollick, tầm quan trọng của Sibelco nói riêng và Spruce Pine nói chung là rất lớn. Trích một đoạn trong cuốn sách Thế giới Vật chất của Conway và đăng trên X ngày 24/3, ông cho rằng sẽ có “sự kết thúc của quá trình sản xuất chip máy tính” nếu có điều gì đó không hay xảy ra tại Spruce Pine hoặc bầu trời phía trên nó.

“Bất kể lý do gì, việc đóng cửa hoặc gián đoạn đột ngột nào trong hoạt động khai thác thạch anh tại Spruce Pine đều có thể gây ra sự cố ‘khá thảm khốc’, có thể kéo lĩnh vực sản xuất chip chậm đi nhiều năm”, Mollick nói thêm.

Bảo Lâm