Lệnh trừng phạt âm thầm đối với gali tạo lợi thế GaN cho vũ khí Trung Quốc trước Mỹ

Màn diễu binh ở Bắc Kinh và bước chuyển âm thầm trong ngành bán dẫn

Màn phô diễn tại lễ duyệt binh ở Bắc Kinh có thể khiến mọi ánh nhìn đổ dồn vào các tên lửa, máy bay không người lái và xe bọc thép mới. Nhưng diễn biến có ý nghĩa lớn nhất năm nay lại không diễn ra trên quảng trường duyệt binh. Đó là một báo cáo của Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, cho rằng Trung Quốc đã làm chủ công nghệ bán dẫn gali nitrua và đang ứng dụng công nghệ này vào các hệ thống quân sự với tốc độ mà các đối thủ khó bắt kịp. Báo cáo nhìn nhận các biện pháp kiểm soát xuất khẩu nguyên liệu đầu vào quan trọng của Trung Quốc không phải là động thái gây chú ý trên mặt báo, mà là chiến thuật gây sức ép từ từ, kìm hãm đối thủ trong khi các chương trình trong nước được mở rộng.

Gali nitrua, thường được viết tắt là GaN, là vật liệu chủ chốt đằng sau làn sóng điện tử quân sự mới. Trung Quốc sản xuất gần như toàn bộ gali nguyên sinh làm nguyên liệu đầu vào để chế tạo thiết bị GaN, đồng thời siết quy định xuất khẩu gali và nguyên tố liên quan là germani. Các nhà phân tích mô tả tác động này như một biện pháp trừng phạt âm thầm, bởi nó không nêu đích danh các công ty quốc phòng Mỹ nhưng lại hạn chế khả năng tiếp cận những vật liệu thiết yếu của họ. Theo các nhà nghiên cứu Trung Quốc, hệ quả là khoảng cách thế hệ đang hình thành trong công nghệ radar mảng pha và thiết bị tác chiến điện tử.

Trong đánh giá mới công bố, Viện Vật lý nhấn mạnh sự giao thoa giữa chính sách vật liệu và tiến bộ công nghệ.

Viện nhận định rằng đằng sau những tiến bộ gần đây là một mạch phát triển bán dẫn ít được chú ý, đồng thời cho biết công nghệ bán dẫn dựa trên GaN của Trung Quốc đã đạt độ hoàn thiện.

Điều này có ý nghĩa vì nó có thể trực tiếp chuyển thành radar tầm xa hơn, thiết bị gây nhiễu bền bỉ hơn, đầu dò dẫn đường nhỏ gọn hơn và khả năng quản lý năng lượng tốt hơn trong các hệ thống chiến đấu. Đây cũng là một đòn bẩy. Khi nhà cung cấp chính của một đầu vào siết nguồn cung, các chương trình phụ thuộc vào nguồn đó sẽ chậm lại hoặc tốn kém hơn.

Vì sao gali nitrua làm thay đổi radar và tên lửa

GaN thuộc nhóm vật liệu được gọi là chất bán dẫn vùng cấm rộng. So với silicon truyền thống, GaN có thể hoạt động ở điện áp và nhiệt độ cao hơn, xử lý công suất trên mỗi đơn vị diện tích lớn hơn nhiều và chuyển mạch nhanh hơn. Những đặc tính này khiến GaN trở thành vật liệu lý tưởng cho bộ khuếch đại tần số vô tuyến và thiết bị điện tử công suất. Trong radar, GaN giúp mỗi mô-đun phát và thu phát tín hiệu mạnh hơn mà không quá nóng, rồi nhanh chóng lắng nghe những tín hiệu phản hồi yếu. Trong đầu dò dẫn đường, vật liệu này duy trì hiệu năng trước các biện pháp gây nhiễu mà vẫn vừa vặn trong phần chóp mũi tên lửa chật hẹp.

Từ silicon sang gali nitrua

Trong nhiều thập kỷ, nhiều radar quân sự dựa vào gali asenua hoặc các thiết bị silicon cao cấp. Những vật liệu này đã chứng minh được giá trị, nhưng GaN mở rộng giới hạn hiệu năng hơn nữa. Các kỹ sư có thể chế tạo mảng với nhiều phần tử hơn trong cùng một không gian và vận hành chúng ở công suất cao hơn, qua đó mở rộng tầm phát hiện, tăng khả năng chống nhiễu và hỗ trợ nhiều chế độ cùng lúc. Công nghệ này cũng quan trọng đối với việc chuyển đổi điện năng trên tàu và máy bay, nơi hiệu suất cao hơn giúp giảm nhiệt và trọng lượng, hai yếu tố quý giá trên các nền tảng chiến đấu.

Mỹ hiện đã triển khai các hệ thống GaN chủ chốt, trong đó có AN/SPY 6 của Hải quân và AN/TPS 80 G/ATOR của Thủy quân lục chiến. Các nhà nghiên cứu Trung Quốc và truyền thông nhà nước cho biết nước này đã đưa GaN vào sản xuất quy mô lớn, ứng dụng trên máy bay cảnh báo sớm trên không, các tổ hợp phòng không và radar tiêm kích. Nếu thông tin này chính xác, điều đó cho thấy không chỉ thiết kế thiết bị đã tiến bộ mà Trung Quốc còn bảo đảm được nguồn cung gali đầu vào cần thiết để chế tạo các thiết bị đó.

Từ cấp phép đến lệnh cấm có mục tiêu

Động thái đầu tiên của Bắc Kinh diễn ra vào tháng 7/2023, khi Bộ Thương mại áp dụng chế độ cấp phép đối với xuất khẩu gali và germani. Lý do chính thức là an ninh quốc gia. Động thái này cũng diễn ra sau một loạt biện pháp kiểm soát của Mỹ đối với chip tiên tiến và thiết bị sản xuất chip xuất sang Trung Quốc. Tháng 12/2024, Trung Quốc leo thang bằng cách cấm xuất khẩu gali, germani và antimon sang thị trường Mỹ, đồng thời siết chặt việc rà soát các mặt hàng liên quan. Những khoáng sản này có vai trò thiết yếu trong chất bán dẫn, cảm biến hồng ngoại, cáp quang, pin mặt trời, pin và đạn dược.

Dữ liệu thương mại và giá cả cho thấy tác động của các biện pháp này. Các lô hàng gali từ Trung Quốc giảm sau quy định năm 2023. Giá tại châu Âu gần như tăng gấp đôi trong một năm khi người mua chạy đua tìm nguồn cung. Nguồn cung germani cũng thắt chặt. Giá antimon tăng vọt. Trong khi đó, Trung Quốc vẫn là nguồn cung gali nguyên sinh áp đảo, còn người mua Mỹ và các đồng minh phụ thuộc nhiều vào nguyên liệu của Trung Quốc, ngay cả khi mua thông qua nước thứ ba.

Trên thực tế, dòng chảy thương mại không dừng lại chỉ sau một đêm. Rà soát dữ liệu thương mại năm 2024 cho thấy hàng nhập khẩu germani và gali của Mỹ vẫn bao gồm nguyên liệu có xuất xứ Trung Quốc, nhiều khả năng được chuyển qua nước thứ ba. Các nhà phân tích coi Bỉ là một trung tâm tái xuất germani lớn. Sản lượng gali thứ cấp tăng ở những nơi như Canada và Đức, còn Nhật Bản dựa vào tinh luyện và tái chế để giảm nhẹ cú sốc. Bức tranh cho thấy nguồn cung đang bị siết dần thay vì bị cắt đứt hoàn toàn, khiến chi phí tăng và thời gian giao hàng kéo dài trên toàn chuỗi.

Khoảng cách về điện tử quân sự ngày càng rộng

Báo cáo của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, được truyền thông nước này đăng tải lại, cho rằng đòn bẩy về vật liệu đã giúp Quân Giải phóng Nhân dân Trung Quốc (PLA) nhanh chóng triển khai radar, đầu dò và thiết bị gây nhiễu GaN. Các bài viết nhấn mạnh radar mảng pha trên những nền tảng cảnh báo sớm trên không như KJ 500A và các hệ thống tiên tiến liên quan đến chương trình J 20. Một số nguồn tin cũng đề cập đến đầu dò GaN trên tên lửa không đối không tầm xa và việc ứng dụng rộng hơn trong các hệ thống phòng không. Chưa có xác nhận độc lập về mọi nền tảng, song xu hướng ứng dụng GaN ngày càng rộng có vẻ đáng tin cậy xét đến quy mô công nghiệp của Trung Quốc.

Mỹ không xa lạ với GaN. Họ AN/SPY 6 là trọng tâm trong kiến trúc radar mới dành cho tàu khu trục. Hệ thống G/ATOR của Thủy quân lục chiến đưa hiệu năng GaN đến các đơn vị tác chiến viễn chinh. Các chương trình của Không quân và Lục quân đang thúc đẩy ứng dụng GaN trong tác chiến điện tử và phòng thủ tên lửa. Theo các nguồn tin Trung Quốc, điểm khác biệt là tốc độ triển khai trên toàn bộ các quân chủng và áp lực chi phí do nguồn cung gali bị siết chặt gây ra.

Một nghiên cứu của Trung tâm Nghiên cứu Chiến lược và Quốc tế đã nêu bật mức độ phụ thuộc sâu rộng của thiết bị điện tử quốc phòng Mỹ vào gali.

Phân tích này lưu ý rằng các hợp chất gali là đầu vào thiết yếu cho những hệ thống quốc phòng tiên tiến của Mỹ, trong đó có radar AN/SPY 6 của Hải quân và radar AN/TPS 80 G/ATOR của Thủy quân lục chiến, đồng thời cho biết các vật liệu này ngày càng được sử dụng nhiều trong vi điện tử tiên tiến.

Mỹ không phải nước duy nhất phụ thuộc vào nguồn cung này. Nhiều hệ thống của đồng minh cũng có nhu cầu tương tự. Nếu Trung Quốc bảo đảm đủ gali cho các chương trình GaN trong nước, đồng thời khiến người mua nước ngoài phải đối mặt với chi phí và sự bất định cao hơn, cán cân về tốc độ triển khai có thể nghiêng lệch. Đó là trọng tâm của nhận định về khoảng cách thế hệ. Vấn đề không nằm ở một thiết bị gây chú ý, mà ở số lượng mảng radar, đầu dò và mô-đun công suất được đưa vào biên chế mỗi năm.

Washington và các đồng minh tìm cách thích ứng

Quan chức Mỹ và lãnh đạo ngành công nghiệp đang triển khai các hướng đi song song. Một hướng là bảo đảm thêm nguồn gali và germani bên ngoài Trung Quốc thông qua khai thác, tinh luyện và tái chế. Hướng còn lại là giảm phụ thuộc bằng cách đầu tư vào các vật liệu thế hệ mới có thể đạt hiệu năng ngang bằng hoặc vượt GaN trong một số vai trò.

Về vật liệu, Lầu Năm Góc đã giao cho Raytheon tham gia một chương trình của Cơ quan Các dự án Nghiên cứu Quốc phòng Tiên tiến (DARPA) nhằm phát triển thiết bị kim cương tổng hợp và nhôm nitrua cho điện tử công suất cao, tần số cao. Các vật liệu này có vùng cấm rộng hơn GaN và có thể mang lại hiệu năng cao hơn nữa nếu các nhà khoa học khắc phục được những thách thức trong sản xuất và mở rộng quy mô lên các tấm bán dẫn lớn hơn.

Colin Whelan, người đứng đầu bộ phận Công nghệ Tiên tiến tại Raytheon, cho biết công việc này là một bước tiến đáng kể trong công nghệ bán dẫn, đồng thời nói thêm rằng nhóm đang dựa vào kinh nghiệm ứng dụng các vật liệu tương tự trong hệ thống quốc phòng để đưa kim cương và nhôm nitrua vào các cảm biến và hệ thống liên lạc trong tương lai.

Các đồng minh cũng đang hành động. Australia, Nhật Bản, Ấn Độ, Hàn Quốc và Mỹ phối hợp về khoáng sản thiết yếu trong các khuôn khổ như Bộ tứ (Quad) và Khuôn khổ Kinh tế Ấn Độ Dương - Thái Bình Dương. Ngân hàng Xuất nhập khẩu Mỹ đã triển khai các công cụ tài chính nhằm hỗ trợ xây dựng các cơ sở khai thác và chế biến ở nước ngoài, không chịu sự kiểm soát của Trung Quốc. Nhật Bản có nhiều nguồn cung gali thông qua tinh luyện, tái chế và sản xuất nguyên sinh gắn với chế biến kẽm, nhờ đó có khả năng chống chịu tương đối tốt. Đức đang xem xét khôi phục sản xuất gali nguyên sinh, trong khi Canada và một số nước khác đã tăng sản lượng gali thứ cấp.

Dù vậy, xuất phát điểm vẫn đầy thách thức. Một đánh giá gần đây của CSIS ước tính Trung Quốc kiểm soát phần áp đảo nguồn cung gali nguyên sinh. Trung Quốc cũng đã hạn chế xuất khẩu một số công nghệ khai thác mà các nhà sản xuất đối thủ cần. Điều đó có nghĩa chỉ riêng giá thị trường có thể không đủ để nhanh chóng mở rộng năng lực sản xuất mới. Các nhà hoạch định chính sách ở Washington và thủ đô các nước đối tác đang cân nhắc dự trữ, mua sắm chung và đầu tư có mục tiêu để thu hẹp khoảng cách trong lúc các doanh nghiệp tư nhân mở rộng hoạt động tái chế và thu hồi tại các nhà máy luyện kim.

Cơ quan Khảo sát Địa chất Mỹ đã cảnh báo về những hệ lụy kinh tế. Ước tính của cơ quan này cho thấy việc cắt nguồn cung hoàn toàn có thể đẩy giá gali tăng mạnh và làm giảm hơn 3 tỷ USD GDP của Mỹ nếu đi kèm lệnh cấm germani. Mỹ không duy trì kho dự trữ gali của chính phủ. Nếu Trung Quốc chuyển từ lệnh cấm có mục tiêu sang thực thi lệnh cấm đối với hàng tái xuất qua nước thứ ba, gián đoạn có thể nghiêm trọng hơn cho đến khi các nguồn thay thế được mở rộng.

Dữ liệu chuỗi cung ứng thực sự cho thấy điều gì

Dữ liệu thương mại đến hết năm 2024 cho thấy một bức tranh nhiều sắc thái. Thống kê chính thức của Trung Quốc ghi nhận xuất khẩu gali và germani sang Mỹ giảm mạnh sau khi chế độ cấp phép bắt đầu, rồi không còn lô hàng trực tiếp nào sau lệnh cấm có mục tiêu. Dữ liệu của Mỹ vẫn ghi nhận hàng nhập khẩu có xuất xứ Trung Quốc; sự chênh lệch này được giải thích thuyết phục nhất bằng hoạt động tái xuất qua các nước như Bỉ đối với germani, cũng như sản xuất thứ cấp và tái chế nguyên liệu Trung Quốc ở những nơi như Đức và Canada đối với gali. Đức đã không sản xuất gali nguyên sinh trong nhiều năm nhưng vẫn chiếm tỷ trọng đáng kể trong lượng hàng Mỹ nhập khẩu, một dấu hiệu khác cho thấy hoạt động tái xuất.

Biến động giá xác nhận nguồn cung đang thắt chặt. Người mua châu Âu cho biết giá gali gần như tăng gấp đôi trong vòng một năm kể từ khi các biện pháp kiểm soát ban đầu được áp dụng. Nguồn cung germani trở nên thất thường, một số doanh nghiệp công nghiệp cảnh báo nguy cơ cạn hàng. Giá antimon tăng nhanh sau động thái tháng 12/2024. Những biến động này làm tăng chi phí của mô-đun radar, cảm biến hồng ngoại và sản xuất chính xác, đồng thời có thể buộc các dự án phải trì hoãn trong lúc đội ngũ mua sắm chạy đua tìm nguyên liệu.

Triển vọng phụ thuộc vào hai yếu tố. Thứ nhất là mức độ Trung Quốc thực thi các biện pháp đối với hàng tái xuất và các mặt hàng phụ trợ như nhựa chiết xuất, bộ thiết bị chế biến. Thứ hai là tốc độ các nhà sản xuất đồng minh có thể cải tạo nhà máy lọc dầu, xây dựng dây chuyền thu hồi mới tại các cơ sở luyện kim và mở rộng tái chế. Một số dự án đã có trên giấy và một số đã bắt đầu, nhưng thời gian triển khai kéo dài qua nhiều chu kỳ ngân sách. Cho đến khi các cơ sở này đi vào hoạt động, ngay cả những thay đổi nhỏ trong quy định cấp phép của Trung Quốc cũng có thể tác động đến giá cả và tiến độ.

Tín hiệu từ Bắc Kinh và Washington

Bắc Kinh từng bước bình thường hóa việc sử dụng các quy định thương mại và kiểm soát xuất khẩu như công cụ điều hành nhà nước. Nước này đã ban hành các khuôn khổ trừng phạt chính thức, khẳng định quyền sở hữu nhà nước trong các lĩnh vực khoáng sản chiến lược và hạn chế xuất khẩu một số công nghệ chế biến đất hiếm. Những bước đi này tiếp nối các chiến thuật không chính thức trước đó, đồng thời cho thấy Trung Quốc sẵn sàng dùng các công cụ trong nước để định hình nguồn cung toàn cầu ở những lĩnh vực mình có lợi thế.

Washington đáp trả bằng cách siết kiểm soát khả năng tiếp cận chip và thiết bị tiên tiến của Trung Quốc, bổ sung thêm các tổ chức vào danh sách hạn chế và thúc đẩy đa dạng hóa chuỗi cung ứng. Các đồng minh đã thiết lập mạng lưới cảnh báo sớm về gián đoạn khoáng sản và liên kết kế hoạch hậu cần để duy trì dòng chảy nguyên liệu thiết yếu khi xảy ra cú sốc.

Các chuyên gia công nghệ quốc phòng nhấn mạnh lý do những diễn biến này có ý nghĩa trên chiến trường. GaN và các vật liệu liên quan giữ vai trò cốt lõi trong radar, thông tin liên lạc và điện tử công suất, những lĩnh vực định hình tác chiến hiện đại.

Tiến sĩ Fabian Villalobos, kỹ sư cấp cao tại Rand, nói ngắn gọn: Chúng rất thiết yếu.

Nhận định đó giúp lý giải tính cấp bách ở cả hai phía. Trung Quốc đang chạy đua để chuyển ưu thế vật liệu thành các hệ thống được đưa vào biên chế. Mỹ và các đối tác đang chạy đua mở rộng nguồn cung và nâng cấp nền tảng bằng các thiết bị tiêu thụ ít điện, chịu nhiệt tốt và điều khiển sóng vô tuyến chính xác. Cuộc cạnh tranh ít được đo bằng một tuyên bố gây chú ý hơn là lịch giao hàng, số lượng đơn vị được trang bị và tần suất các đội bảo trì thay mô-đun cũ bằng linh kiện GaN.

Điểm chính

• Báo cáo của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc cho biết công nghệ GaN của Trung Quốc đã đạt độ hoàn thiện và đang được ứng dụng trên các nền tảng quân sự.
• Bắc Kinh chuyển từ kiểm soát bằng giấy phép năm 2023 sang cấm xuất khẩu gali, germani và antimon sang Mỹ năm 2024.
• Trung Quốc chi phối nguồn cung gali nguyên sinh, còn sản xuất germani cũng tập trung ở một số ít nơi, khiến giá tăng vọt và thời gian chờ của người mua kéo dài.
• Các hệ thống quốc phòng Mỹ như AN/SPY 6 và G/ATOR đã sử dụng GaN, nhưng các nguồn tin Trung Quốc cho rằng PLA triển khai công nghệ này nhanh hơn và rộng hơn.
• Dữ liệu thương mại cho thấy hàng hóa tiếp tục được tái xuất qua nước thứ ba, giúp giảm nhẹ tác động tức thời nhưng làm tăng chi phí và sự bất định.
• DARPA giao Raytheon nghiên cứu thiết bị kim cương và nhôm nitrua để giảm phụ thuộc vào gali, trong khi các đồng minh đầu tư vào nguồn cung ngoài Trung Quốc.
• USGS ước tính việc cắt nguồn cung hoàn toàn có thể làm GDP Mỹ giảm khoảng 3,4 tỷ USD; Mỹ không có kho dự trữ gali.
• Giai đoạn tiếp theo phụ thuộc vào việc Trung Quốc thực thi các biện pháp đối với hàng tái xuất và tốc độ mở rộng năng lực tinh luyện, thu hồi và tái chế của các dự án từ phía đồng minh.