Nvidia thúc đẩy PTFE, khơi mào cuộc đua vật liệu bo mạch AI

Vật liệu chống dính quen thuộc bước vào cuộc đua phần cứng AI

Nỗ lực của Nvidia nhằm tăng tốc độ kết nối bên trong các hệ thống AI đang thu hút sự chú ý đến polytetrafluoroethylene, hay PTFE, loại vật liệu nổi tiếng nhất với thương hiệu Teflon. Sức hấp dẫn của PTFE nằm ở đặc tính điện: vật liệu này có thể giúp tín hiệu truyền qua bo mạch với mức hao hụt năng lượng thấp hơn so với các vật liệu cách điện thông thường.

Thách thức là biến ưu thế đó thành những bo mạch đáng tin cậy với hàng chục lớp. PTFE khó bám dính vào các vật liệu khác, tương đối mềm và cần quy trình gia công phức tạp. Những đặc tính này khiến các nhà sản xuất chia thành hai hướng: thận trọng hoặc đầu tư; trong đó các nhà cung cấp Trung Quốc theo đuổi cơ hội, còn doanh nghiệp Đài Loan cân nhắc các vật liệu thay thế và chi phí sản xuất.

Đầu tháng 10, Nvidia giới thiệu một bo mạch chuyển mạch NVLink mới tại hội nghị thượng đỉnh của Open Compute Project mà các bên trong ngành cho rằng có thể sử dụng PTFE. Các ứng dụng tiềm năng gồm bộ chuyển mạch cho Rubin Ultra và những tấm trung gian vuông góc trong tương lai, tức các bo mạch kết nối những bo mạch khác được bố trí vuông góc. Lịch trình sản xuất chính thức và thông số vật liệu cuối cùng chưa được công bố.

Cuộc đua không chỉ xoay quanh một loại nhựa. Lá đồng, vải sợi thủy tinh, thiết bị ép và công suất nhà máy đều chịu sức ép khi máy chủ AI cần những bo mạch phức tạp hơn. Khách hàng đang tìm kiếm cam kết công suất cho giai đoạn 2027-2030, trong khi thời gian giao một số thiết bị có thể lên tới 30 tháng.

Vì sao Nvidia muốn tín hiệu truyền đi xa hơn

Bộ xử lý AI phải trao đổi lượng thông tin khổng lồ để phối hợp hoạt động. Bo mạch in, hay PCB, là nơi lắp các linh kiện và tạo đường dẫn cho tín hiệu điện cũng như nguồn điện. Khi tốc độ truyền dẫn tiến đến 200 gigabit/giây trên mỗi làn, việc giữ cho tín hiệu nguyên vẹn ngày càng khó khăn.

PTFE có tổn hao điện môi rất thấp, nghĩa là vật liệu cách điện bao quanh đường dẫn đồng hấp thụ ít năng lượng tín hiệu hơn. PTFE vốn đã được dùng trong các ứng dụng đòi hỏi khắt khe như radar quân sự, vệ tinh và radar trong các hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến. Mở rộng ứng dụng sang bo mạch máy chủ AI phức tạp sẽ đưa lợi thế điện học này vào một thách thức sản xuất lớn hơn nhiều.

Theo các nguồn tin trong ngành, Nvidia muốn cho phép tín hiệu trao đổi tốc độ cao trực tiếp giữa các bo mạch, qua đó có thể thay thế một số kết nối bằng cáp đồng phức tạp. Đường truyền đồng càng dài thì vật liệu xung quanh càng phải đáp ứng yêu cầu cao hơn, bởi tổn hao tín hiệu tích lũy trong quá trình truyền.

Quang học đồng đóng gói, đưa các kết nối quang đến gần chip tính toán hoặc chip chuyển mạch, là một hướng khác để tăng tốc độ giao tiếp. Trước khi công nghệ này sẵn sàng cho các ứng dụng đang được bàn tới, cải thiện vật liệu bo mạch là lựa chọn thiết kế có thể triển khai sớm hơn. Câu hỏi thực tế là liệu các nhà sản xuất có thể đạt hiệu năng điện cần thiết với chi phí và sản lượng phù hợp hay không.

Đặc tính hữu ích trong chảo lại gây khó cho bo mạch

Vật liệu nền phủ đồng, hay CCL, là vật liệu cơ bản để chế tạo bo mạch. CCL thường gồm lá đồng kết hợp với nhựa và lớp gia cường bằng sợi thủy tinh. Các nhà sản xuất gia công và ghép những vật liệu này thành cấu trúc nhiều lớp, tạo nên các kết nối điện trong máy chủ.

Các hệ nhựa thông thường, gồm epoxy, polyphenylene oxide và nhựa hydrocarbon, có thể liên kết với nhau khi gia nhiệt rồi trở nên cứng sau khi đóng rắn. Nhờ đó, các công đoạn khoan, mạ và lắp ráp tiếp theo tương đối dễ kiểm soát. Khả năng chống bám dính của PTFE khiến quy trình phức tạp hơn: các lớp phải liên kết chắc chắn trong suốt quá trình sản xuất và vận hành.

PTFE cũng không đủ cứng để tự đảm nhiệm toàn bộ cấu trúc của những bo mạch dày, phức tạp dùng trong máy chủ AI. Các nhà sản xuất thường cân nhắc cấu trúc lai, kết hợp PTFE với những vật liệu cứng hơn. Thiết kế như vậy nhằm đặt vật liệu có tổn hao thấp nhất ở những vị trí tín hiệu cần nhất, đồng thời duy trì độ bền cơ học ở những phần khác.

Quy trình gia công có thể đòi hỏi thay đổi lớn tại nhà máy. Theo ước tính của ngành, nhiệt độ ép một số bo mạch PTFE nhiều lớp vào khoảng 300 độ C. Dây chuyền sản xuất PCB thông thường có thể không có thiết bị phù hợp, đồng nghĩa việc đổi vật liệu có thể đòi hỏi máy móc mới, công thức quy trình được điều chỉnh và thay đổi ở nhiều nhà cung cấp.

Sự thận trọng của Đài Loan gặp làn sóng đầu tư từ Trung Quốc

Chủ tịch Unimicron, Tung Ting-yu, cho biết Nvidia từng liên hệ công ty về việc phát triển PTFE từ ba năm trước. Theo ông, mối quan tâm ban đầu của Nvidia một phần xuất phát từ tình trạng thiếu hụt vật liệu nền tiên tiến; ông cũng đặt câu hỏi liệu PTFE có trở thành vật liệu bo mạch chủ đạo hay không.

Pu Deyu, người đứng đầu bộ phận nghiên cứu điện tử và viễn thông nước ngoài tại GF Securities, có quan điểm khác. Ông cho rằng nhu cầu xuất phát từ thiết kế sản phẩm: ngay cả vật liệu M9 tiên tiến cũng có thể khó đáp ứng hiệu năng truyền dẫn cần thiết trên các bo mạch có hơn 70 lớp. Ông cũng nhận định các ứng dụng điện toán trong không gian trong tương lai sẽ thúc đẩy nhu cầu PTFE.

Theo các nguồn tin trong ngành, những nhà sản xuất tham gia công việc về PTFE của Nvidia chủ yếu đến từ Trung Quốc, ngoại trừ một nhà sản xuất bo mạch của Mỹ. Trong số đó có nhà cung cấp vật liệu nền Shengyi Technology và nhà sản xuất PCB Victory Giant Technology, doanh nghiệp đã đầu tư mạnh vào thiết bị nhằm phục vụ Nvidia.

Các doanh nghiệp Đài Loan niêm yết tham gia gồm Taiflex, nhà sản xuất vật liệu nền phủ đồng dẻo, và nhà sản xuất mạch dẻo Flexium. Không công ty nào là nhà cung cấp PCB máy chủ AI hàng đầu. Sự tham gia của họ cho thấy cơ hội không chỉ giới hạn ở các nhà sản xuất bo mạch máy chủ cứng đã có chỗ đứng, dù việc mở rộng lên quy mô thương mại vẫn là thách thức trọng yếu.

Taiflex và E Ink chuẩn bị con đường đưa PTFE vào sản xuất

Ngày 28 tháng 10, hội đồng quản trị Taiflex thông qua biên bản ghi nhớ với E Ink về phát triển vật liệu PTFE. Kế hoạch dự kiến kết hợp vật liệu của Taiflex với hoạt động sản xuất thử và xác minh tại các cơ sở Hsinchu và Guanyin của E Ink ở Đài Loan.

Taiflex sẽ cung cấp vật liệu chủ chốt và phát triển vật liệu nền PTFE phục vụ truyền tín hiệu tốc độ cao. E Ink sẽ đóng góp năng lực nghiên cứu vật liệu, xử lý bề mặt và quản lý sản xuất. Xử lý bề mặt đặc biệt quan trọng với một vật liệu khó gia công do khả năng chống bám dính.

Chủ tịch Taiflex Chen Yung-heng cho biết công ty đã đầu tư vào vật liệu nền phủ đồng và vật liệu điện tử tiên tiến trong nhiều năm, trong đó có công nghệ và sản phẩm PTFE. Hợp tác được đề xuất sẽ kết nối hoạt động phát triển đó với các cơ sở có thể thử nghiệm quy trình sản xuất.

Quan hệ hợp tác vẫn cần được hội đồng quản trị E Ink xem xét. Các điều khoản thương mại và chi tiết triển khai chưa được thống nhất; mọi hoạt động gia công theo hợp đồng sau này sẽ tùy thuộc vào tiến độ. Hai cơ sở được dự kiến làm địa điểm thử nghiệm, chưa phải địa điểm sản xuất PTFE thương mại đã được xác nhận.

E Ink và công ty con hoạt động trong lĩnh vực vật liệu nắm tổng cộng khoảng 9% cổ phần Taiflex vào thời điểm được đề cập. Chủ tịch E Ink Johnson Lee cho biết khoản đầu tư vào Taiflex bắt đầu khoảng bốn năm trước. Mối quan hệ hoạt động chặt chẽ hơn giữa hai công ty hình thành qua một số bước:

• Ngày 2 tháng 4: Chen Yung-heng trở thành chủ tịch Taiflex.
• Ngày 27 tháng 5: E Ink giành được bốn ghế trong hội đồng quản trị Taiflex tại cuộc bầu cử hội đồng.
• Ngày 29 tháng 7: Johnson Lee trở thành phó chủ tịch Taiflex.
• Ngày 28 tháng 10: Hội đồng quản trị Taiflex thông qua đề xuất hợp tác về PTFE.

Nhiều lớp hơn đồng nghĩa cần thêm vật liệu, không chỉ thêm đơn hàng

Nhu cầu vật liệu nền tăng lên một phần vì bo mạch máy chủ AI có nhiều lớp hơn. Bo mạch máy chủ thông thường có thể có khoảng 16-20 lớp, trong khi bo mạch máy chủ AI hiện đạt 30-40 lớp hoặc hơn. So sánh bo mạch 20 lớp với 40 lớp cho thấy thay đổi này: mỗi bo mạch cần gấp đôi số lớp, dù lượng vật liệu thực tế còn phụ thuộc vào kích thước và thiết kế.

Thời gian giao vật liệu nền đã kéo dài từ khoảng 2-4 tuần lên 3 tháng hoặc nửa năm. Một số loại vải sợi thủy tinh tiên tiến đang được cung cấp theo hạn mức phân bổ, giới hạn lượng hàng từng khách hàng có thể mua ngay cả khi muốn đặt thêm.

Việc sản xuất sợi thủy tinh cũng chậm hơn khi các yêu cầu ngày càng khắt khe. Nhà cung cấp đang chuyển công suất từ vải sợi thủy tinh điện tử thông thường sang sản phẩm có đặc tính điện tốt hơn. Theo ước tính của ngành, chuyển từ vải dày sang loại mỏng hơn có thể làm giảm công suất sản xuất từ 50% đến 70%.

Morgan Stanley xác định bốn điểm nghẽn trong ngắn hạn: quy trình xử lý PTFE, nguồn cung vải sợi thủy tinh điện tử mỏng eo hẹp, thời gian giao máy ép cán EPM kéo dài và đế thủy tinh mà công ty dự đoán cần thêm 2-3 năm mới được thương mại hóa. Các điểm nghẽn này ảnh hưởng đến những giai đoạn sản xuất khác nhau, khiến việc nhanh chóng tăng nguồn cung bo mạch thành phẩm trở nên khó khăn.

PTFE là một lựa chọn trong cuộc đua vật liệu rộng hơn

Theo Morgan Stanley, các nhà sản xuất vật liệu nền Đài Loan đang tìm hiểu nhựa hydrocarbon, hỗn hợp nhựa hydrocarbon và PTFE, cùng benzocyclobutene, gọi tắt là BCB. Việc lựa chọn phụ thuộc vào hiệu năng điện, mức độ dễ gia công, chi phí và khả năng cung cấp vật liệu đồng nhất với số lượng lớn.

Vải thạch anh, thường gọi là vải Q, là một ứng viên khác cho các ứng dụng đòi hỏi cao. Loại vải này có đặc tính điện thuận lợi nhưng giá có thể cao gấp 50-70 lần vải sợi thủy tinh thông thường. Độ cứng và giòn của nó cũng khiến công đoạn khoan phức tạp hơn.

Mũi khoan có thể tạo khoảng 2.000-3.000 lỗ trên bo mạch sợi thủy tinh thông thường có thể phải thay sau khoảng 200 lỗ trên bo mạch sử dụng vải thạch anh. Những con số này cho thấy vật liệu thông thường cho phép khoan nhiều hơn khoảng 10-15 lần giữa mỗi lần thay mũi, khiến lựa chọn thạch anh làm tăng đáng kể chi phí sản xuất.

Các nhà sản xuất đang đưa vào những kỹ thuật như laser picôgiây và khoan siêu âm để khắc phục vấn đề gia công. Khách hàng cũng có thể sử dụng thiết kế kết hợp nhiều vật liệu, đặt vật liệu nền M9 hoặc M10 tiên tiến ở các lớp tín hiệu đòi hỏi cao và dùng vật liệu rẻ hơn ở những vị trí khác.

Chủ tịch Elite Material Tung Ting-yu cho biết M9 đã được sản xuất hàng loạt, M10 dự kiến sẽ tăng sản lượng trong năm tiếp theo, còn M11 đang được phát triển. Lá đồng cũng đang thay đổi: bề mặt nhẵn hơn giúp giảm tổn hao khi tín hiệu truyền dọc theo đường dẫn đồng. Vì vậy, việc lựa chọn nhựa chỉ là một phần trong thiết kế điện.

Khách hàng chi tiền để giữ chỗ công suất trong tương lai

Goldman Sachs cho biết khách hàng đang hỗ trợ đầu tư công suất cho giai đoạn 2027-2030 bằng các thỏa thuận dài hạn, trợ cấp mở rộng, khoản thanh toán trước hoặc ưu đãi. Elite Material, Zhen Ding Technology và nhà sản xuất lá đồng Co-Tech đã nhận được các đề nghị như vậy. Một số nhà cung cấp muốn duy trì sự linh hoạt thay vì chấp nhận mọi thỏa thuận được đề xuất.

Việc cấp vốn phản ánh thời gian chờ kéo dài đối với cả vật liệu lẫn máy móc. Chủ tịch kiêm giám đốc chiến lược Unimicron Chien Shan-chieh cho biết thời gian giao khoảng 80% thiết bị đã kéo dài, một số máy móc thiết yếu phải mất tới 30 tháng. Ông ước tính tình trạng thiếu hụt vật liệu chủ chốt có thể lên tới 20%-40% nhu cầu vào năm 2027.

Nvidia cũng đang tìm thêm công suất cho đế chip, cấu trúc có đường dây dẫn cực nhỏ kết nối chip với phần còn lại của hệ thống. Theo thông tin được đưa ra, công ty dự định mở rộng công suất liên quan lên gấp 2,5 lần mức hiện tại trong vòng ba năm và đã trả trước hàng tỷ USD để giữ công suất tại IBIDEN của Nhật Bản.

Đế chip và PCB máy chủ có chức năng khác nhau, nhưng đều đang thu hút đầu tư nhờ làn sóng mở rộng phần cứng AI. Khách hàng cam kết vốn sớm hơn bởi việc xây dựng nhà máy, lắp đặt thiết bị và chứng nhận sản phẩm mất nhiều thời gian hơn rất nhiều so với việc đặt đơn mua hàng.

Nhà máy mới vẫn cần vật liệu đạt chuẩn

Co-Tech dự kiến đầu tư 8-10 tỷ Đài tệ vào một nhà máy tại Malaysia, với công suất thiết kế 30.000 tấn, tập trung vào lá đồng HVLP4 tiên tiến. Sản phẩm HVLP5 cũng đã được gửi làm mẫu. Hai giai đoạn đầu của nhà máy Taiwan Union Technology tại Thái Lan dự kiến có tổng công suất 1,2 triệu tấm vật liệu nền mỗi tháng; công ty đã dành sẵn đất cho giai đoạn thứ ba.

Dù có các kế hoạch mở rộng đó, tình trạng thiếu nguyên liệu vẫn là mối lo lớn. Chủ tịch ITEQ Chen Chin-tsai xác định thiếu vật liệu là thách thức lớn nhất của công ty. Tổng giám đốc Tsai Hsin-min cho biết giá vải sợi thủy tinh gần như tăng hàng tháng và nguồn cung có thể chỉ bắt đầu bớt căng thẳng vào nửa cuối năm 2027 hoặc năm 2028.

Khách hàng cuối cũng đang kiểm soát nhiều hơn việc lựa chọn vật liệu. Sau khi chứng nhận một loại vật liệu, họ có thể yêu cầu nhà sản xuất PCB sử dụng đúng sản phẩm đó. Do vậy, các nhà cung cấp cạnh tranh không chỉ về mức tổn hao tín hiệu thấp nhất mà còn về chất lượng ổn định và khả năng sản xuất lặp lại đồng nhất.

Nỗ lực thúc đẩy PTFE của Nvidia hội tụ tất cả những yêu cầu này. Vật liệu giúp kết nối nhanh hơn cũng phải chịu được các công đoạn ép, khoan, mạ và lắp ráp trên nhiều lớp. Đầu tư của Trung Quốc, các phương án thay thế tại Đài Loan và quan hệ hợp tác giữa Taiflex với E Ink là những nỗ lực khác nhau nhằm đáp ứng cùng một yêu cầu thực tế: cung cấp số lượng lớn bo mạch hoạt động ổn định.

Điểm chính

• Nvidia đang tìm hiểu PTFE cho các kết nối AI đòi hỏi cao vì vật liệu này làm hao hụt năng lượng tín hiệu ít hơn các vật liệu cách điện thông thường.
• Khả năng chống bám dính, độ mềm và yêu cầu gia công của PTFE khiến việc sản xuất bo mạch nhiều lớp phức tạp hơn.
• Các nhà cung cấp Trung Quốc đang đầu tư, trong khi nhà sản xuất Đài Loan theo đuổi hợp tác về PTFE và các vật liệu thay thế.
• Đề xuất hợp tác giữa Taiflex và E Ink hướng tới thử nghiệm tại hai cơ sở ở Đài Loan; việc phê duyệt và các điều khoản thương mại vẫn chưa được hoàn tất.
• Thời gian giao vật liệu nền đã kéo dài lên 3 tháng hoặc nửa năm khi nguồn cung sợi thủy tinh, lá đồng và thiết bị ngày càng hạn chế.
• Khách hàng đang hỗ trợ công suất cho giai đoạn 2027-2030, trong khi các nhà sản xuất phải cân bằng hiệu năng điện, chi phí và sản xuất ổn định.