Stop 3: the fab and its machinesChặng 3: nhà máy và máy móc

The A17 Pro leaves Apple as a design file. It becomes silicon inside a fab, a factory that costs tens of billions of dollars to build, where each wafer of chips spends months moving from machine to machine. Most of those machines come from five companies that few people outside the industry have heard of.

Con chip A17 Pro rời Apple khi mới là một file thiết kế. Thiết kế ấy chỉ thành con chip trên silicon khi vào một nhà máy sản xuất chip (fab). Xây một fab tốn hàng chục tỷ USD, và trong đó, mỗi tấm wafer phải mất nhiều tháng đi hết cỗ máy này đến cỗ máy khác. Phần lớn số máy ấy đến từ năm công ty mà ít ai ngoài ngành từng nghe tên.

In this chapter

Trong chương này

• What a fab at the leading edge costs to build and to run
• The five companies that make most of a fab’s machines
• What a real fab floor looks like, with two questions about it
• Why the toolmakers keep so much of each sale
• Why fewer chipmakers keep up at every new node
• What this stop earns

• Xây và vận hành một fab ở mức tiên tiến nhất tốn bao nhiêu
• Năm công ty làm ra phần lớn máy móc trong fab
• Khu sản xuất của một fab thật trông như thế nào, kèm hai câu hỏi
• Vì sao các hãng làm máy giữ lại được nhiều đến thế trên mỗi đồng doanh thu
• Vì sao mỗi tiến trình mới lại càng ít hãng chip theo kịp
• Giá trị kinh tế được tạo ra ở công đoạn này

A factory that costs tens of billions of dollars

Một nhà máy có giá trị hàng chục tỷ USD

Apple owns no fab. It designs the A17 Pro and pays TSMC to build it on TSMC’s 3 nm process, called N3B.^5.1 TSMC is the largest foundry, a company that makes chips to other companies’ designs. Only a few large companies run leading-edge fabs. TSMC, Samsung and Intel make the most advanced logic chips, and memory makers such as Micron and SK hynix run leading-edge fabs of their own. Many more, such as Texas Instruments, run fabs on older processes.

Apple không có fab nào. Hãng thiết kế con chip A17 Pro rồi thuê TSMC làm ra nó trên tiến trình bán dẫn (technology node) 3 nm của TSMC, có tên N3B.^5.1 TSMC là foundry lớn nhất thế giới, tức công ty chuyên sản xuất chip theo thiết kế của hãng khác. Chỉ một số ít công ty lớn vận hành fab leading-edge (tiên tiến nhất). TSMC, Samsung và Intel làm những con chip logic tiên tiến nhất; các hãng chip nhớ như Micron và SK hynix cũng có fab riêng ở mức tiên tiến nhất. Nhiều hãng khác, như Texas Instruments, vận hành fab trên các tiến trình cũ hơn.

The machines are what make a fab work. Without them the building can make nothing, and they are a big part of why a leading-edge fab, one built for the most advanced chips, costs so much.

Máy móc mới là thứ làm nên một fab. Không có máy, nhà máy không làm ra được gì. Sở dĩ một fab ở mức tiên tiến nhất đắt đến vậy, một phần lớn là do máy móc bên trong.

The running costs pay for staff, power, water, chemicals and spare parts. All but the staff are bought in, so every fab keeps a whole network of suppliers busy.

Chi phí vận hành là tiền trả cho nhân công, điện, nước, hóa chất và phụ tùng thay thế. Ngoài nhân công, mọi thứ còn lại đều phải mua từ bên ngoài, nên fab nào cũng kéo theo cả một mạng lưới nhà cung cấp.

Five companies make most of the machines

Năm công ty làm ra phần lớn máy móc

Five companies make most of the wafer fab equipment, the machines that process the wafers. In 2024 their sales of new tools came to roughly three-quarters of a world market worth about US$104 billion.^{5.6, 5.7} Each is strongest in its own line of machines.^5.8

Phần lớn máy móc sản xuất chip, tức những cỗ máy xử lý wafer trong fab, do năm công ty làm ra. Năm 2024, doanh số máy mới của năm công ty này chiếm khoảng ba phần tư thị trường thiết bị fab toàn cầu, một thị trường trị giá khoảng 104 tỷ USD.^{5.6, 5.7} Mỗi hãng mạnh nhất ở một dòng máy riêng.^5.8

Together the five took in about US$100 billion in 2024, services and spare parts included, and about US$112 billion a year later.^5.6 About half of that was the cost of building the machines, much of it spent on parts and modules bought from thousands of suppliers. ASML alone works with about 5,100 suppliers (2025). Some 900 of them make the parts and modules for its machines, and about 80% of the cost of the materials in each one is bought in.^5.9

Tính cả dịch vụ và phụ tùng, cả năm công ty thu về khoảng 100 tỷ USD năm 2024 và khoảng 112 tỷ USD một năm sau đó.^5.6 Khoảng một nửa số tiền ấy là chi phí làm ra máy, trong đó một phần lớn chi cho linh kiện và module mua từ hàng nghìn nhà cung cấp. Riêng ASML làm việc với khoảng 5.100 nhà cung cấp (2025). Chừng 900 trong số đó làm linh kiện và module cho máy của hãng, và khoảng 80% giá trị vật tư của mỗi cỗ máy là mua từ bên ngoài.^5.9

Their sales follow the chipmakers’ building plans. A new fab needs a full set of tools, and orders slow once it is running, so the toolmakers’ revenue rises and falls in cycles.

Doanh số của họ đi theo kế hoạch xây nhà máy của các hãng chip. Một fab mới cần trọn bộ máy móc, còn khi fab đã chạy thì đơn hàng chậm lại, nên doanh thu của các hãng làm máy lên xuống theo chu kỳ.

A day inside a fab

Một ngày trong nhà máy chip

The film below was shot inside Micron’s megafab in Taiwan, which makes memory chips; the A17 Pro comes from a TSMC fab. Every modern fab runs on the same few ideas, and the film shows them all: a clean room whose air is filtered free of dust, workers in full-body bunny suits, a lithography machine printing a pattern onto a wafer, and robots on ceiling rails that carry the wafers from tool to tool.

Đoạn phim dưới đây được quay bên trong siêu nhà máy của Micron ở Đài Loan, nơi làm chip nhớ; con chip A17 Pro thì ra đời ở một fab của TSMC. Fab hiện đại nào cũng vận hành theo cùng vài nguyên tắc, và đoạn phim cho thấy đủ cả. Có phòng sạch với không khí được lọc sạch bụi, có người làm việc mặc bunny suit kín từ đầu đến chân, có cỗ máy quang khắc in hình mẫu lên wafer, và có những robot chạy trên ray treo dưới trần, chở wafer từ máy này sang máy khác.

The film puts the plant at about a million square metres of production space.^5.10 The largest fabs, making more than 100,000 wafers a month, are called gigafabs.^5.11

Theo đoạn phim, nhà máy có khoảng một triệu mét vuông diện tích sản xuất.^5.10 Những fab lớn nhất, làm ra hơn 100.000 wafer mỗi tháng, được gọi là gigafab.^5.11

One machine stands above the rest. ASML’s EUV scanners print the finest patterns of all, with light of just 13.5 nm.

Giữa ngần ấy máy móc, có một cỗ máy nổi bật hơn cả. Máy EUV của ASML in được những hình mẫu nhỏ nhất, bằng ánh sáng có bước sóng chỉ 13,5 nm.

Why the toolmakers' margins stay high

Vì sao các hãng làm máy giữ được biên lợi nhuận cao

Building machines this complex costs a great deal, so it can seem odd that the toolmakers keep so much of what they sell. In 2024 the five kept gross margins of 47 to 60% (chapter 2 explains the measure): 47 to 48% at Tokyo Electron, Lam Research and Applied Materials, 51% at ASML and 60% at KLA.^5.6 People who build these tools give two reasons.

Làm ra những cỗ máy phức tạp đến thế rất tốn kém, nên thoạt nghe có vẻ lạ khi các hãng làm máy giữ lại được nhiều như vậy trên mỗi đồng doanh thu. Năm 2024, biên lợi nhuận gộp của năm hãng này nằm trong khoảng 47 đến 60% (chương 2 đã giải thích cách tính): 47 đến 48% ở Tokyo Electron, Lam Research và Applied Materials, 51% ở ASML và 60% ở KLA.^5.6 Những người trực tiếp làm ra các cỗ máy này nêu hai lý do.

The first is that the work does not scale like a mass-market product. Each tool carries years of know-how, and every new node needs new tools and new processes. Atomic layer deposition (ALD), for example, builds a film in cycles, each usually adding less than one layer of atoms, and its processes have to be worked out again for each new node. In one equipment engineer’s account, a handful of PhDs can spend two or three years bringing up a single new process. Know-how that deep cannot be turned out cheaply in bulk.

Thứ nhất, công việc này không thể làm đại trà như hàng tiêu dùng. Mỗi cỗ máy chứa đựng bí quyết tích lũy qua nhiều năm, và mỗi tiến trình mới lại cần máy mới, quy trình mới. Chẳng hạn, lắng đọng nguyên tử (ALD) tạo màng qua nhiều chu trình, mỗi chu trình thường phủ thêm chưa đến một lớp nguyên tử, và sang mỗi tiến trình mới, quy trình ALD phải phát triển lại. Theo lời kể của một kỹ sư ngành thiết bị, một nhóm vài tiến sĩ có thể mất hai, ba năm mới đưa được một quy trình mới vào sản xuất. Hàm lượng kỹ thuật cao đến thế thì không thể sản xuất đại trà với giá rẻ.

The second is that each of the five leads in some machines few others make. ASML has almost no rival at the cutting edge of lithography, and KLA few in inspection. In etch and deposition, Applied Materials, Lam Research and Tokyo Electron do compete with one another.^5.6 Still, a chipmaker that needs a particular tool has only a few places to buy it, sometimes only one, and pays that maker’s price.

Thứ hai, hãng nào trong năm hãng cũng dẫn đầu ở một số loại máy mà ít hãng khác làm được. Ở mảng quang khắc tiên tiến nhất, ASML gần như không có đối thủ; ở mảng kiểm tra, KLA cũng ít đối thủ. Còn ở mảng khắc và lắng đọng, Applied Materials, Lam Research và Tokyo Electron cạnh tranh trực tiếp với nhau.^5.6 Dù vậy, hãng chip nào cần một loại máy cụ thể cũng chỉ có vài nơi để mua, có khi chỉ một, và phải trả mức giá nơi ấy đưa ra.

The metal is not the secret. Much of a tool is machined aluminium and steel, wiring and welds. The value lies in the design, in making the parts work together, and in the process know-how, which is why chapter 9 treats making tool parts as a real but demanding way into the industry.

Bí mật không nằm ở phần kim loại. Phần lớn một cỗ máy làm từ nhôm và thép đã gia công, cùng dây điện và mối hàn. Giá trị nằm ở khâu thiết kế, ở việc làm cho các bộ phận chạy ăn khớp với nhau, và ở bí quyết quy trình. Vì thế, chương 9 xem việc làm linh kiện cho máy móc là một con đường vào ngành khả thi, nhưng đòi hỏi rất cao.

High, but not the highest in the chain. TSMC kept 56% of its sales as gross profit in 2024, more than ASML’s 51% and every other toolmaker except KLA, while smaller foundries kept 18 to 33%: SMIC 18%, GlobalFoundries about 25%, UMC about 33%.^5.14 The toolmakers’ margins and the foundries’ overlap, and chapter 8 sets both beside the rest of the chain.

Mức ấy cao, nhưng chưa phải cao nhất trong chuỗi. Năm 2024, TSMC giữ lại 56% doanh thu làm lợi nhuận gộp, cao hơn mức 51% của ASML và cao hơn mọi hãng làm máy khác trừ KLA. Trong khi đó, các foundry nhỏ hơn chỉ giữ được 18 đến 33%: SMIC 18%, GlobalFoundries khoảng 25%, UMC khoảng 33%.^5.14 Khoảng biên lợi nhuận của các hãng làm máy và của các foundry chồng lấn lên nhau; chương 8 sẽ đặt cả hai cạnh những mắt xích còn lại của chuỗi.

The newer the node, the fewer chipmakers keep up

Tiến trình càng mới, càng ít hãng theo kịp

Chipmakers name each generation of their manufacturing process after a length in nanometres, such as 7 nm or 3 nm. The name marks the generation; it no longer measures anything on the chip. Keeping up with Moore's Law, the doubling of the transistors on a chip about every two years, has meant a new node every few years, and every node needs new machines and a costlier fab.

Các hãng chip đặt tên cho từng thế hệ quy trình sản xuất theo một độ dài tính bằng nanomet, như 7 nm hay 3 nm. Con số trong tên chỉ để đánh dấu thế hệ, không còn ứng với kích thước thật nào trên chip. Muốn theo kịp Định luật Moore, tức số bóng bán dẫn (transistor) trên một con chip tăng gấp đôi khoảng hai năm một lần, cứ vài năm ngành lại cần một tiến trình mới, và tiến trình nào cũng đòi máy móc mới, fab đắt hơn.

Fewer and fewer companies can pay for that. In 2002 and 2003, twenty-six companies could make chips at the leading edge, then the 130 nm node; by 10 nm and 7 nm only Intel, Samsung and TSMC were left (Yole, 2020).^5.15 Since 2022, China’s SMIC has also made 7 nm-class chips, without EUV machines (TechInsights).^5.16 As of 2026 Intel, Samsung and TSMC make chips at the 2 nm class, and Japan’s Rapidus aims to join them in 2027.^5.17

Ngày càng ít công ty trả nổi cái giá ấy. Năm 2002 và 2003, có 26 công ty sản xuất được chip ở mức tiên tiến nhất lúc bấy giờ là tiến trình 130 nm. Đến 10 nm và 7 nm, chỉ còn Intel, Samsung và TSMC (Yole, 2020).^5.15 Từ năm 2022, SMIC của Trung Quốc cũng làm được chip cỡ 7 nm mà không cần máy EUV (TechInsights).^5.16 Tính đến năm 2026, Intel, Samsung và TSMC sản xuất chip ở tiến trình cỡ 2 nm, còn Rapidus của Nhật Bản đặt mục tiêu gia nhập vào năm 2027.^5.17

That is why a newcomer rarely starts at the leading edge. Chapter 6 shows how chipmakers avoid putting a whole chip on the costliest node, and chapter 9 puts a price on a fab at each node.

Vì thế, hiếm có công ty mới vào ngành nào bắt đầu ngay từ mức tiên tiến nhất. Chương 6 cho thấy các hãng chip tránh đặt cả con chip lên tiến trình đắt nhất bằng cách nào, còn chương 9 tính giá một fab ở từng tiến trình.

What this stop earns

Giá trị kinh tế được tạo ra ở công đoạn này

Two businesses share this stop: the foundries that run the fabs, and the toolmakers that equip them. Their sales are separate markets, and adding them up would count the same money twice: what the toolmakers sell is money the chipmakers spend.

Ở chặng này có hai ngành: các foundry vận hành fab, và các hãng làm máy trang bị cho fab. Doanh số của hai bên là hai thị trường riêng, và cộng chúng lại sẽ tính trùng cùng một khoản tiền: tiền các hãng làm máy thu về chính là tiền các hãng chip bỏ ra.