Nỗ lực tự chủ chip AI của Nhật Bản
Nhật Bản đang đặt cược 16,3 tỷ USD để giành lại vị thế trong ngành bán dẫn toàn cầu. Chính phủ gần đây đã phê duyệt khoản trợ cấp bổ sung 631,5 tỷ yen (4 tỷ USD) cho Rapidus, một startup nội địa chuyên gia công chip, trong khuôn khổ chiến lược quyết liệt nhằm sản xuất hoàn toàn trong nước những bộ xử lý trí tuệ nhân tạo tiên tiến nhất thế giới. Trọng tâm của sáng kiến này là Fujitsu, tập đoàn công nghệ có lịch sử hàng thế kỷ, đang phát triển một chip suy luận AI 1,4 nanomet tiên tiến, dự kiến do Rapidus sản xuất tại cơ sở mới ở Hokkaido vào cuối thập kỷ này.
Nội dung
Dự án là nỗ lực tham vọng nhất từ trước đến nay của Tokyo nhằm giảm phụ thuộc vào Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) và các nhà cung cấp nước ngoài khác, trong bối cảnh căng thẳng địa chính trị leo thang và chuỗi cung ứng dễ tổn thương. Bộ trưởng Công nghiệp Ryohei Akazawa nhấn mạnh tính cấp thiết về chiến lược tại một sự kiện gần đây của Rapidus ở Hokkaido.
Dù một công ty có công nghệ xuất sắc đến đâu, hoạt động kinh doanh của công ty đó vẫn sẽ thất bại nếu không có được khách hàng muốn sử dụng công nghệ ấy.
Ông Akazawa giải thích rằng sự hỗ trợ của chính phủ nhằm giúp Rapidus tạo ra nhu cầu và thu hút khách hàng, vượt ra ngoài nỗ lực tiếp thị của chính công ty. Điều này cho thấy Nhật Bản nhận thức rằng năng lực sản xuất cần một hệ sinh thái vững chắc gồm các nhà thiết kế chip trong nước sẵn sàng chấp nhận rủi ro với công nghệ gia công chip chưa được kiểm chứng.
Thách thức kỹ thuật ở cấp độ 1,4 nanomet
Bộ xử lý thần kinh (NPU) mà Fujitsu dự kiến phát triển nhắm tới một nút quy trình hiện chưa được sản xuất hàng loạt ở bất cứ đâu trên thế giới. Công nghệ 1,4 nanomet là bước tiến tiếp theo sau 2 nanomet, với kiến trúc transistor gate-all-around (GAA), hứa hẹn cải thiện đáng kể hiệu quả năng lượng và mật độ tính toán. Trong khi TSMC và Samsung chạy đua hướng tới sản xuất 2 nanomet, Fujitsu và Rapidus đặt mục tiêu vượt lên thẳng 1,4 nanomet, tập trung riêng vào các tác vụ suy luận AI.
Sự khác biệt giữa chip huấn luyện và chip suy luận có ý nghĩa then chốt trong trường hợp này. Bộ xử lý đồ họa (GPU) của Nvidia đang thống trị lĩnh vực huấn luyện AI, tức quá trình dạy các mô hình ngôn ngữ lớn nhận diện quy luật. Tuy nhiên, suy luận, tức triển khai các mô hình đã huấn luyện để đưa ra dự đoán hoặc quyết định, đòi hỏi kiến trúc khác. Bộ xử lý thần kinh thực hiện các phép tính này hiệu quả hơn GPU đa dụng, đặc biệt trong điện toán biên và các ứng dụng trung tâm dữ liệu, nơi mức tiêu thụ điện và độ trễ là yếu tố quan trọng. NPU được tối ưu cho các phép nhân ma trận thường dùng trong mạng thần kinh, đồng thời giảm thiểu băng thông bộ nhớ và phần điện năng phụ trội mà GPU cần để duy trì tính linh hoạt.
Fujitsu dự định đóng gói các NPU này cùng bộ xử lý trung tâm Monaka-X dựa trên Arm trong một thiết bị tích hợp duy nhất. Monaka-X là phiên bản phát triển từ chip trung tâm dữ liệu Armv9 144 lõi hiện tại của công ty, được sản xuất bằng quy trình 2 nanomet của TSMC. Đến năm 2029, Fujitsu hy vọng chuyển Monaka-X sang dây chuyền sản xuất 1,4 nanomet của Rapidus, kết hợp chức năng CPU và NPU trong sản phẩm mà hãng gọi là Fugaku NEXT, thế hệ kế nhiệm siêu máy tính hàng đầu hiện nay của Nhật Bản. Việc tích hợp này giảm luân chuyển dữ liệu giữa các chip riêng biệt, qua đó cắt giảm tiêu thụ năng lượng và tăng tốc độ xử lý các khối lượng công việc AI. Fujitsu cũng đặt mục tiêu tích hợp công nghệ mã hóa trực tiếp vào các bộ xử lý này để bảo vệ dữ liệu nhạy cảm trong quá trình xử lý, đáp ứng những lo ngại ngày càng tăng về chủ quyền dữ liệu và an ninh trong các ứng dụng AI.
Rapidus và canh bạc xây dựng nhà máy chip trong nước
Được thành lập năm 2022 với sự hậu thuẫn của tám tập đoàn lớn Nhật Bản, trong đó có Toyota, Sony và NEC, Rapidus gánh trọng trách khôi phục năng lực sản xuất bán dẫn của Nhật Bản sau nhiều thập kỷ suy giảm. Công ty hiện đang xây dựng cơ sở chế tạo đầu tiên, IIM-1, tại Chitose, Hokkaido, với mục tiêu sản xuất hàng loạt chip 2 nanomet vào nửa cuối năm tài khóa 2027. Nhà máy thứ hai, dự kiến khởi công từ năm 2027, sẽ đảm nhiệm sản xuất chip 1,4 nanomet cho các chip AI của Fujitsu.
Các cột mốc kỹ thuật cho thấy triển vọng lạc quan nhưng vẫn thận trọng. Tháng 7/2025, Rapidus thông báo đã bắt đầu chế tạo nguyên mẫu chip GAA 2 nanomet tại cơ sở IIM-1. Gần đây hơn, công ty đưa vào hoạt động dây chuyền nguyên mẫu hậu kỳ và khai trương cơ sở Rapidus Chiplet Solutions (RCS) chuyên đóng gói tiên tiến, một khâu thiết yếu để tích hợp nhiều loại bộ xử lý vào cùng một gói chip. Trung tâm Phân tích nằm cạnh nhà máy hiện cung cấp năng lực phân tích vật lý, môi trường và hóa học cần thiết để cải thiện tỷ lệ thành phẩm.
Tổng giám đốc điều hành Atsuyoshi Koike tiết lộ hồi tháng 2 rằng Rapidus đang tích cực thảo luận về các quan hệ đối tác tiềm năng với nhiều khách hàng triển vọng, nhắm tới ứng dụng AI, robot và điện toán biên.
Chúng tôi đang tích cực thảo luận với hơn 60 khách hàng tiềm năng về các chip phục vụ AI, robot và điện toán biên.
IBM và startup thiết kế chip Tenstorrent nổi lên như những ứng viên hàng đầu cho công suất 2 nanomet ban đầu, còn Fujitsu là khách hàng nội địa chủ chốt mà Tokyo kỳ vọng sẽ chứng minh năng lực của nhà máy.
Đầu tư cho tương lai
Cơ cấu tài chính hỗ trợ sáng kiến này bao gồm cả khu vực công lẫn tư. Tổ chức Phát triển Công nghệ và Năng lượng Mới Nhật Bản (NEDO), trực thuộc Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp, dự kiến chi trả khoảng hai phần ba trong tổng chi phí phát triển ban đầu ước tính 58 tỷ yen (363 triệu USD) cho NPU của Fujitsu. Chương trình trợ cấp này nhắm cụ thể tới việc phát triển các chất bán dẫn AI tiết kiệm năng lượng có thể được sản xuất trong nước.
Cam kết rộng hơn của chính phủ vượt xa dự án riêng của Fujitsu. Đến tháng 3/2027, tổng vốn đầu tư công và tư vào Rapidus sẽ đạt 2,6 nghìn tỷ yen (16,3 tỷ USD), bao gồm khoản trợ cấp bổ sung 631,5 tỷ yen mới đây. Nhật Bản dự định đầu tư hơn 10 nghìn tỷ yen (62,8 tỷ USD) vào chip và AI đến năm tài khóa 2030, đồng thời xếp chất bán dẫn vào nhóm sản phẩm thiết yếu được chỉ định vì an ninh quốc gia. Thủ tướng Sanae Takaichi nhấn mạnh sự cần thiết phải tăng đầu tư vào các lĩnh vực trọng yếu đối với an ninh quốc gia, đặc biệt khi Nhật Bản tìm cách phòng ngừa những cú sốc từ bên ngoài và các rủi ro như những đợt căng thẳng khu vực bùng phát gần đây.
Một ủy ban độc lập đã kiểm tra nhà máy của Rapidus ở Hokkaido và xác nhận tiến triển công nghệ trước khi khoản tài trợ mới nhất được phê duyệt. Điều này cho thấy các chuyên gia độc lập nhìn nhận có lộ trình khả thi để công ty đạt được những mục tiêu sản xuất đầy tham vọng.
Các quan hệ đối tác song song của Fujitsu
Dù hợp tác với Rapidus nhấn mạnh tính độc lập về công nghệ, Fujitsu không chỉ đặt cược vào năng lực trong nước. Công ty duy trì một mạng lưới quan hệ đối tác quốc tế phức tạp, cho thấy những thách thức thực tế trên con đường đạt chủ quyền bán dẫn hoàn toàn. Tháng 10/2025, Fujitsu công bố hợp tác với Nvidia để cùng phát triển chip AI cho các trung tâm dữ liệu Nhật Bản vào năm 2030, kết nối CPU của Fujitsu với GPU Nvidia trên cùng các nền đế.
Ngoài ra, Fujitsu đang hợp tác với AMD trong những sáng kiến chip AI riêng. CPU Monaka hiện tại của công ty dựa trên quy trình 2 nanomet của TSMC, cho thấy ngay cả khi Nhật Bản xây dựng các giải pháp thay thế trong nước, công nghệ tiên tiến vẫn đi qua Đài Loan và những trung tâm sản xuất đã có chỗ đứng khác. Cách tiếp cận hai hướng này giúp Fujitsu duy trì vị thế cạnh tranh trong khi phát triển năng lực nội địa, vốn có thể cần nhiều năm mới trưởng thành.
Dự án siêu máy tính Fugaku NEXT là minh chứng cho chiến lược này. Dự kiến đi vào hoạt động khoảng năm 2030, với mục tiêu đạt hiệu năng gấp 100 lần hệ thống Fugaku hiện tại, cỗ máy thế hệ mới nhiều khả năng sẽ kết hợp nhiều công nghệ bộ xử lý. CPU Monaka-X có thể đến từ dây chuyền 1,4 nanomet của Rapidus, nhưng hệ thống gần như chắc chắn sẽ tích hợp GPU và các bộ tăng tốc khác từ nhà cung cấp quốc tế để đạt mục tiêu tính toán.
Xây dựng hệ sinh thái rộng lớn hơn
Fujitsu không phải khách hàng duy nhất của Rapidus, dù đây là khách hàng nổi bật nhất xét về tham vọng công nghệ. Canon đã cam kết đặt mua chất bán dẫn xử lý hình ảnh cho máy ảnh kỹ thuật số và thiết bị giám sát, sử dụng quy trình 2 nanomet của Rapidus; hoạt động sản xuất thử đã bắt đầu. IBM Japan cũng nhận hỗ trợ từ NEDO để phát triển chip AI tiết kiệm năng lượng có khả năng được Rapidus sản xuất, với tối đa 17,5 tỷ yen dành riêng cho các dự án của IBM, so với 58,5 tỷ yen cho Fujitsu.
Hệ sinh thái đang hình thành này không chỉ dừng ở các hợp đồng sản xuất đơn thuần. Rapidus hợp tác với IBM phát triển công nghệ quy trình 1,4 nanomet nền tảng, tận dụng năng lực nghiên cứu của Big Blue để đẩy nhanh tiến độ. Synopsys, công ty hàng đầu về tự động hóa thiết kế điện tử, tham gia phát triển cảm biến hình ảnh của Canon, cho thấy Rapidus đang xây dựng hạ tầng để hỗ trợ các dự án bán dẫn phức tạp có nhiều bên tham gia.
Hoạt động tập trung tại Hokkaido kéo theo những tác động kinh tế khu vực. Hòn đảo phía bắc có các lợi thế như khí hậu mát mẻ, giúp giảm chi phí làm mát cho cơ sở chế tạo, dù chi phí năng lượng tại Nhật Bản vốn thiếu tài nguyên vẫn tiếp tục tăng trong bối cảnh bất ổn toàn cầu. Rapidus đặt cược rằng sự kết hợp giữa hỗ trợ của chính phủ, quan hệ đối tác kỹ thuật và lợi thế địa lý có thể giúp vượt qua những thách thức mang tính cơ cấu của hoạt động sản xuất tại Nhật Bản.
Đối đầu với những gã khổng lồ ngành chip
Lộ trình mà Fujitsu và Rapidus phải theo đuổi đầy thách thức. TSMC bắt đầu sản xuất hàng loạt chip 2 nanomet trong năm 2025 và duy trì quan hệ với các thế lực AI như Nvidia và Apple. Intel đã bắt đầu sản xuất hàng loạt tại nút 18A (xấp xỉ tương đương 1,8 nanomet), đồng thời ra mắt các bộ xử lý Panther Lake được chế tạo bằng quy trình tiên tiến này. Rapidus đặt mục tiêu chỉ bắt đầu sản xuất 2 nanomet vào cuối năm 2027, tiếp đó là 1,4 nanomet vào khoảng năm 2029.
Khoảng cách này rất đáng kể vì ngành sản xuất bán dẫn có hiệu ứng mạng lưới mạnh. Lợi thế đi trước của TSMC trong lĩnh vực đóng gói tiên tiến, kinh nghiệm sản xuất quy mô lớn và hệ sinh thái thiết kế đã hình thành tạo nên những rào cản mà các đối thủ mới khó vượt qua. Tỷ lệ thành phẩm, tức tỷ lệ chip hoạt động tốt trên mỗi tấm wafer silicon, thường quyết định tính khả thi về kinh tế. Trung tâm Phân tích mới và năng lực chẩn đoán của Rapidus cho thấy công ty nhận thức được những thách thức này, nhưng khả năng đạt tỷ lệ thành phẩm cạnh tranh ở mức 1,4 nanomet vẫn chưa được chứng minh.
Chi phí năng lượng tạo thêm trở ngại. Sản xuất bán dẫn đòi hỏi lượng điện và nước khổng lồ. Hạn chế về tài nguyên của Nhật Bản cùng chi phí vật liệu tăng giữa lúc Trung Đông bất ổn có thể khiến Rapidus gặp bất lợi so với các đối thủ hoạt động ở những khu vực có năng lượng rẻ hơn hoặc chuỗi cung ứng đã hình thành. Việc chính phủ sẵn sàng trợ cấp cả chi phí phát triển lẫn sản xuất cho thấy họ nhận ra rằng chỉ riêng các lực lượng thị trường không thể tạo dựng năng lực sản xuất trong nước.
Điểm chính
- Fujitsu đang phát triển bộ xử lý thần kinh 1,4 nanomet phục vụ suy luận AI, với mục tiêu để Rapidus sản xuất tại Hokkaido vào cuối thập kỷ này.
- Nhật Bản đã cam kết tổng cộng 16,3 tỷ USD cho Rapidus đến tháng 3/2027, bao gồm khoản trợ cấp bổ sung 4 tỷ USD mới đây, nhằm hỗ trợ riêng công việc của Fujitsu.
- NPU sẽ được tích hợp với CPU Monaka-X của Fujitsu, phục vụ các ứng dụng trung tâm dữ liệu và siêu máy tính, trong đó có hệ thống Fugaku NEXT dự kiến ra mắt năm 2030.
- Rapidus đặt mục tiêu bắt đầu sản xuất hàng loạt chip 2 nanomet vào cuối năm 2027, sau đó khởi động sản xuất 1,4 nanomet vào khoảng năm 2029 tại cơ sở chế tạo thứ hai.
- NEDO, tổ chức phát triển công nghệ của Nhật Bản, tài trợ khoảng hai phần ba trong tổng chi phí phát triển ban đầu 363 triệu USD của dự án chip AI.
- Fujitsu duy trì các quan hệ đối tác song song với Nvidia và AMD, cân bằng nỗ lực tự chủ trong nước với khả năng tiếp cận ngay công nghệ tiên tiến quốc tế.
- Canon và IBM Japan là những khách hàng bổ sung của Rapidus, cho thấy những bước đầu hình thành hệ sinh thái bán dẫn trong nước.
