Khi nhắc đến cuộc cạnh tranh bán dẫn giữa Mỹ và Trung Quốc, phần lớn sự chú ý thường đổ dồn vào những cái tên như TSMC, ASML hay các lệnh hạn chế xuất khẩu chip AI. Thế nhưng, phía sau những nhà máy hiện đại và các cỗ máy quang khắc trị giá hàng trăm triệu USD lại tồn tại một mắt xích ít được biết đến hơn nhiều.
Đó là một loại thạch anh siêu tinh khiết được khai thác tại thị trấn nhỏ Spruce Pine, bang North Carolina của Mỹ, nơi chỉ có khoảng 2.000 cư dân nhưng lại giữ vai trò đặc biệt trong chuỗi cung ứng bán dẫn toàn cầu.
Theo nhiều tài liệu được tổng hợp, Spruce Pine hiện là nguồn cung cấp thạch anh siêu tinh khiết (High Purity Quartz - HPQ) quan trọng nhất thế giới. Các chuyên gia ước tính khoảng 70% đến 90% lượng thạch anh siêu tinh khiết dùng để sản xuất chén nung thạch anh phục vụ ngành bán dẫn có nguồn gốc từ khu vực này.
Đây là loại vật liệu được sử dụng trong quy trình sản xuất silicon đơn tinh thể, nền tảng để tạo ra các tấm wafer trước khi chúng được chế tạo thành chip bán dẫn. Nói cách khác, trước khi một con chip AI, bộ xử lý trên iPhone hay bộ vi xử lý dành cho xe điện được tạo ra, chúng đều phải trải qua một công đoạn phụ thuộc vào loại vật liệu đặc biệt này.
Vai trò của HPQ bắt nguồn từ chính quy trình sản xuất silicon. Trong phương pháp Czochralski, polysilicon được nung chảy trong các chén nung làm từ thạch anh có độ tinh khiết cực cao, sau đó tinh thể silicon được kéo lên để tạo thành các khối silicon đơn tinh thể. Những khối silicon này tiếp tục được cắt thành các tấm wafer mỏng, bề mặt để chế tạo hàng tỷ bóng bán dẫn và mạch điện tử.
Chỉ cần chén nung chứa một lượng tạp chất nhỏ, chúng có thể hòa lẫn vào silicon nóng chảy, làm giảm chất lượng wafer và ảnh hưởng trực tiếp đến tỷ lệ thành phẩm của chip. Vì vậy, ngành bán dẫn đòi hỏi loại thạch anh có độ tinh khiết lên tới khoảng 99,999%, một con số rất ít mỏ trên thế giới có thể đáp ứng.
Điều khiến Spruce Pine trở nên đặc biệt không nằm ở công nghệ khai thác mà ở chính điều kiện địa chất hiếm có. Theo các tài liệu của Sibelco và nhiều nghiên cứu được trích dẫn, các mỏ thạch anh tại đây được hình thành khoảng 380 triệu năm trước, khi lục địa châu Phi va chạm với Bắc Mỹ.
Quá trình địa chất kéo dài hàng triệu năm cùng điều kiện nhiệt độ, áp suất và thành phần khoáng vật đặc biệt đã tạo nên loại thạch anh có độ tinh khiết gần như không nơi nào khác đạt được ở cùng quy mô khai thác. Đây cũng là lý do nhiều chuyên gia gọi lợi thế của Spruce Pine là một "tai nạn địa chất" hay món quà mà thiên nhiên ban tặng.
Sự phụ thuộc của ngành bán dẫn vào khu vực này được thể hiện rõ sau khi bão Helene đổ bộ vào bang North Carolina năm 2024. Trận lũ đã khiến hoạt động khai thác tại Spruce Pine phải tạm dừng, làm dấy lên lo ngại trong toàn ngành bán dẫn. Financial Times cho biết nếu việc gián đoạn kéo dài, chuỗi cung ứng cho hàng loạt sản phẩm từ điện thoại thông minh, máy tính, máy chủ AI cho đến tấm pin mặt trời đều có thể chịu tác động.
Mặc dù các nhà sản xuất wafer vẫn còn lượng tồn kho đủ duy trì hoạt động trong vài tháng và các mỏ sau đó nhanh chóng khôi phục sản xuất, sự kiện này đã phơi bày một điểm yếu ít người để ý trong chuỗi cung ứng bán dẫn toàn cầu.
Điều đáng chú ý là giá trị của HPQ không nằm ở tỷ trọng chi phí trong một con chip. Thạch anh chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong giá thành cuối cùng, nhưng lại đóng vai trò như một nút thắt của toàn bộ quy trình. Nếu không có nguồn vật liệu đạt tiêu chuẩn để sản xuất chén nung, quá trình tạo silicon đơn tinh thể sẽ bị ảnh hưởng và toàn bộ chuỗi sản xuất phía sau cũng có nguy cơ bị gián đoạn.
Đây là một ví dụ điển hình cho thấy sự mong manh trong chuỗi cung ứng công nghệ cao, ngay cả những thành phần có giá trị kinh tế không lớn vẫn có thể trở thành mắt xích chiến lược nếu rất khó thay thế.
Liệu các quốc gia khác có thể nhanh chóng thay thế Spruce Pine?
Câu trả lời hiện nay vẫn là rất khó. Một số nguồn thạch anh siêu tinh khiết khác tồn tại tại Brazil, Nga, Trung Quốc và Ấn Độ, trong khi thạch anh tổng hợp cũng đã được phát triển cho nhiều ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên, các chuyên gia cho rằng chưa nơi nào kết hợp được đồng thời độ tinh khiết, quy mô trữ lượng, khả năng khai thác và tính kinh tế như các mỏ tại Spruce Pine.
Báo cáo của CRU cũng cho biết hiện chỉ có một số rất ít doanh nghiệp trên thế giới có thể sản xuất HPQ chất lượng cao ở quy mô thương mại, trong đó hai nhà khai thác tại Spruce Pine vẫn giữ vai trò thống lĩnh thị trường. Việc xây dựng nguồn cung thay thế không chỉ đòi hỏi vốn đầu tư rất lớn mà còn cần nhiều năm phát triển mỏ, xây dựng cơ sở chế biến và hoàn tất quá trình kiểm định chất lượng đối với khách hàng ngành bán dẫn.
Tầm quan trọng của nguồn HPQ từ Spruce Pine cũng được thể hiện rõ đối với Trung Quốc. Trong nhiều năm, quốc gia này là thị trường tiêu thụ HPQ lớn nhất thế giới nhưng lại phụ thuộc đáng kể vào nguồn nhập khẩu, đặc biệt từ các mỏ tại Spruce Pine, North Carolina khi đáp ứng từ 70% đến 80% nhu cầu nước này.
Sự phụ thuộc đó khiến chuỗi cung ứng của Trung Quốc trở nên nhạy cảm trước các biến động địa chính trị và thương mại, đồng thời trở thành một trong những lý do khiến Bắc Kinh đẩy mạnh tìm kiếm các mỏ HPQ trong nước, đưa loại khoáng sản này vào danh mục khoáng sản chiến lược và đầu tư vào công nghệ tinh chế nhằm giảm dần sự lệ thuộc vào nguồn cung từ nước ngoài.
Chính vì vậy, nhiều chuyên gia cho rằng lợi thế của Mỹ trong cuộc cạnh tranh bán dẫn không chỉ nằm ở các công ty thiết kế chip, các phần mềm thiết kế điện tử hay những quy định kiểm soát xuất khẩu công nghệ. Ẩn sâu dưới lòng đất của một thị trấn nhỏ thuộc dãy Appalachia còn tồn tại một nguồn tài nguyên đặc biệt mà khoa học hiện đại chưa thể tạo ra ở cùng quy mô bằng công nghệ.
Nguyễn Hải
