Công nghệ bán dẫn hướng tới tương lai

Cùng với những giới hạn vật lý trong việc sản xuất chip bán dẫn, sự kết thúc của định luật Moore nổi tiếng liên tục được giới phân tích dự đoán lặp đi lặp lại. Tuy nhiên, cứ mỗi lần rào cản mới xuất hiện, công nghệ mới lập tức có mặt để giải quyết vấn đề. Trong giai đoạn sắp tới, đâu sẽ là chìa khoá để những dòng chip bán dẫn dành cho nhu cầu điện toán của cộng đồng tiếp tục tiến lên một tầm cao mới? Lời giải có thể nằm trong một trong ba hướng đi mà chúng ta sẽ đề cập tới dưới đây. 

Cuộc đua công nghệ bán dẫn 3-D

Gần hai năm sau Intel, các nhà sản xuất bán dẫn bắt đầu đưa công nghệ bán dẫn 3-D hay còn gọi là FinFET (FET - Field-Effect Transistors: bán dẫn hiệu ứng trường) vào quy trình thiết kế chip của họ, đưa công nghệ này tới quy mô đại trà. Tuy vậy, do bị Intel dẫn trước, hầu hết các nhà sản xuất bán dẫn lớn đều đang nỗ lực để thực hiện việc chuyển đổi sang mô hình sản xuất mới. Điều đáng nói là để tăng tốc quá trình này, một số công ty đã đi một bước bất thường: kết hợp những đơn vị bán dẫn mới với quy trình cũ để tạo ra sự liên kết chúng với nhau trên cùng một chip. 

Sự khác biệt giữa công nghệ bán dẫn “phẳng” (trái) và FinFET (phải) của Intel.

Nhờ thế, họ hi vọng chiến lược “lai” của mình sẽ có thể tạo ra khả năng sẵn sàng trong việc sản xuất các sản phẩm bán dẫn 3-D để “đón” đơn đặt hàng từ các nhà sản xuất chip trên toàn cầu ngay trong 2014. Đây là mốc sớm hơn một năm so với dự định ban đầu và là yếu tố quan trọng trong việc rút ngắn khoảng cách với Intel – công ty vốn đã công bố quy trình sản xuất bán dẫn 3-D kể từ 2011. Bản thân hãng cũng lên kế hoạch tung ra các dòng chip dành cho điện thoại thông minh và máy tính bảng để cạnh tranh chính với các khách hàng của những nhà sản xuất bán dẫn. 

Một trong những lý do lớn nhất để các nhà sản xuất chip chuyển qua dùng FinFET là việc mỗi lần thu nhỏ đơn vị bán dẫn hai chiều truyền thống, những cải thiện về hiệu năng ngày càng kém dần đi. Trong khi đó, FinFet – với khả năng xoay dòng bán dẫn hiệu quả - đã hạn chế tối đa hiện tượng rò và “mang” được nhiều dòng hơn. Điều này tạo ra các mạch điện vận hành hiệu quả cao trong khi lại sử dụng ít năng lượng hơn. Chính vì điều này, cả GlobalFoundries, Samsung, Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC), và United Microelectronics đều đã công bố họ sẽ theo đuổi công nghệ sản xuất bán dẫn này với đích nhắm là quy trình sản xuất FinFet ở 14nm – một bước chậm hơn Intel – vốn đã cán vạch 22nm hiện tại. 

Để đạt được điều này, cả hai nhà sản xuất bán dẫn lớn hiện nay là GlobalFoundries và TSMC đều hé lộ họ sẽ phải có những bước tiến đan xen đầy táo bạo. Kích thước của chip – dù sản xuất theo quy trình 14nm - sẽ không nhỏ hơn so với loại sử dụng quy trình sản xuất 20nm hiện nay. Điều này cũng đồng nghĩa với việc các nhà sản xuất không thể tạo ra nhiều chip hơn trên cùng một miếng wafer để cắt giảm chi phí. Dù vậy, theo GlobalFoundries, thế hệ chip này của hãng sẽ có thể nhanh hơn 55% hoặc tiết kiệm điện hơn 40% so với thế hệ 20nm. 

Trong khi đó, về phía mình, TSMC – công ty tiếp cận FitFET ở quy trình sản xuất 16nm lại tuyên bố chip của mình “tương tự” cả về kích thước lẫn mật độ đơn vị bán dẫn so với các giải pháp 14nm của những nhà sản xuất khác. Vào cuối năm nay, cả TSMC và GlobalFoundries đều hi vọng sẽ sản xuất thành công những mẫu chip thử nghiệm nhằm hướng tới việc sản xuất hàng loạt trong năm 2014. Nếu lộ trình này suôn sẻ, họ sẽ có thể bắt kịp lịch trình 14nm của Intel.    

Sợi nano – một lối đi tiềm năng cho việc tạo ra các chip bán dẫn thế hệ mới.

Kéo dài định luật Moore với công nghệ bán dẫn sợi nano

Một thực tế là trong khi cuộc đua FinFET vẫn đang hết sức sôi động, các kĩ sư lại đã có trong tay một công nghệ mà theo họ là sẽ “thổi bay” những kẻ dám phủ nhận định luật Moore sau khi FinFET chạm giới hạn. Đó chính là Nanowire FET. 

Trong đơn vị có kích thước nano này, dòng điện chạy qua các sợi nano (nanowire) và được điều khiển bởi hiệu điện thế từ điện cực tải cổng – thứ bao bọc sợi nano này. Chính vì kiểu thiết kế này, công nghệ bán dẫn hiệu ứng trường sử dụng nanowire còn có tên gọi khác là bán dẫn Gate-All-Around. Tuy nhiên, do kích thước cực nhỏ, một nanowire không thể chuyển đủ dòng điện để trở thành một đơn vị bán dẫn hiệu quả. Để giải quyết vấn đề này, các kĩ sư đã tạo ra một đơn vị bán dẫn gồm nhiều sợi nano bó lại với nhau và được cùng một cổng điều khiển. Cả khối này sẽ vận hành như một đơn vị bán dẫn lẻ. Thực tế, hồi năm ngoái, các nhà nghiên cứu tại trường Đại Học Hokkaido và  Cục khoa học công nghệ Nhật Bản đã từng công bố mô hình bán dẫn với 10 sợi nano cấu thành từ vật liệu Indium Gallium Arsenide và được đặt trên một silicon chung. Mặc dù các đặc tính điện của mô hình này rất tốt nhưng độ dài cổng – một yếu tố quan trọng – lên tới 200nm – quá lớn cho một transistor nhỏ bé vốn sẽ có mặt trong các bộ xử lý vào năm 2020. 

Tới hiện tại, hai nhà nghiên cứu Pháp gồm Guilhem Larrieu và Xiang-Lei Han đã công bố phát minh bán dẫn sợi nano mới có thể thu gọn lại đủ để đáp ứng yêu cầu. Kích thước tổng thể cả mô hình chỉ còn 30nm chiều rộng và 200nm chiều cao với hai bề mặt tiếp xúc platinum tạo thành cực nguồn và cực máng của đơn vị bán dẫn. Trong khi đó, cực cổng mới với vật liệu chính là chrome bọc từng sợi nano có độ dài chỉ 14nm mà thôi. Các nhà nghiên cứu hiện cũng có kế hoạch vươn tới mốc cổng dưới 10nm và sử dụng vật liệu Indium Gallium Arsenide làm sợi nano do đặc tính di chuyển linh hoạt hơn của các electron. 

Hiện công nghệ bọc cổng bên ngoài đang được mở rộng nghiên cứu tại nhiều phòng thí nghiệm. Tuy nhiên thực tế là các đơn vị bán dẫn sợi nano rõ ràng phức tạp hơn FinFET rất nhiều. Trong khi đó những hoài nghi về việc liệu chúng có thể giúp định luật Moore tiếp tục tồn tại hay có thể giúp các nhà sản xuất nhồi nhét thêm nhiều hơn đơn vị bán dẫn lên chip hay không vẫn còn đó. Tuy nhiên, theo nhà nghiên cứu Judy Hoyt từ phòng thí nghiệm Microsystem Technology của trường MIT, sự thành công của công nghệ bán dẫn sợi nano phụ thuộc nhiều vào quy trình sản xuất cũng như kiểu kiến trúc.

 

Định luật Moore được xây dựng bởi Gordon Moore - một trong những sáng lập viên của Intel. Định luật này ban đầu được phát biểu: "Số lượng transistor trên mỗi đơn vị inch vuông sẽ tăng lên gấp đôi sau mỗi năm." (1 inch vuông tương đương 6,45 cm²). Đến năm 2000 định luật được sửa lại là sau mỗi chu kỳ 18 tháng.

Silicon lượng tử – lối đi mới cho chip máy tính silicon 
 

Bit lượng tử (Qubit) sẽ là khái niệm được nhắc đến nhiều hơn trong tương lai.

Máy tính lượng tử có thể dễ dàng trở thành thực tế nếu chúng sử dụng quy trình xử lý bán dẫn silicon của ngành công nghiệp điện tử tiên tiến hiện nay. Các nhà vật lý tại Úc mới đây cũng đã tiến thêm một bước trong lĩnh vực này thông qua việc đọc/ghi trạng thái quay hạt nhân của một nguyên tử phốt pho đơn lẻ đặt trong silicon. Thậm chí, trong báo cáo mang tính đột phá công bố trên tạp chí Nature số 18/04/2013, các nhà vật lý đã đạt được thành công đầu tiên từ ý tưởng vốn lần đầu được Bruce Kane – một nhà vật lý của Đại Học Maryland đưa vào năm 1998. Những thành công như vậy có thể dẫn tới sự ra đời của những chiếc máy tính lượng tử dựa trên cùng nền tảng công nghệ xử lý silicon của chip máy tính hiện nay. Các nhà khoa học cũng dự đoán rằng máy tính lượng tử sẽ là thiết bị lý tưởng để phá vỡ các mã hoá hiện đại, tìm kiếm trong cơ sở dữ liệu khổng lồ, tìm hiểu các tương tác sinh học của hoá chất cũng như phân tử. 

Tiềm năng của điện toán lượng tử có nguồn gốc từ việc khai thác các định luật vật lý lượng tử cho phép trạng thái xoay vòng của một electron hoặc một hật nhân nguyên tử để đạt được “siêu vị trí” – tồn tại ở nhiều trạng thái cùng lúc. Như thế, nếu như đơn vị bit trong máy tính truyền thống chỉ hiện diện ở 1 hoặc 0 thì bit lượng tử có thể hiện diện ở nhiều giá trị khác nhau cùng lúc.

Bên cạnh đó, cùng với những hướng tiếp cận điện toán lượng tử khác, các nhà nghiên cứu đã cố gắng cách ly nguyên tử với trường điện từ hoặc vật liệu siêu dẫn. Để so sánh, Kane đã gợi ý việc kiểm soát trạng thái quay của hạt nhân nguyên tử phố pho trong tinh thể silicon để coi như một bit lượng tử. Thực tế, điện toán lượng tử dựa trên vật liệu silicon cũng đã cho phép kéo dài thời gian gắn kết dài giữa trạng thái quay của hạt nhân và các electron. Điều này đồng nghĩa với việc trạng thái quay của electron và hạt nhân trong vai trò một bit lượng tử có thể duy trì thông tin trong thời gian dài – điều mà các giải pháp điện toán lượng tử khác đang gặp rắc rối. 

Các nhà khoa học cho biết thách thức lớn nhất đối với việc xây dựng được một chiếc máy tính lượng tử là vận chuyển được trạng thái lượng tử của các bit lượng tử trong một bộ xử lý vốn chứa rất nhiều các bit lượng tử. Việc xây dựng một máy tính lượng tự dựa trên nền silicon với hai bit lượng tử trở lên cũng đồng nghĩa với việc phải kết nối nhiều khối 2 bit lượng tử lại với nhau. Vì vậy, một mô hình vận chuyển phù hợp giữa các cổng lượng tử là điều tối quan trọng. Điều các nhà vật lí mong muốn là một chiếc máy tính lượng tử có thể trình diễn được với khoảng 10 bit lượng tử trong vòng 5 năm tới. Phiên bản thử nghiệm này phải có đủ mọi thành phần cơ bản như cổng bit lượng tử 1 và 2, cơ chế vận chuyển bit lượng tử, cơ chế sửa lỗi lượng tử… Khi tất cả chúng được hoàn tất, vấn đề chỉ còn là bài toán sản xuất mà thôi. 

Có thể nói, hướng tiếp cận điện toán lượng tử dựa trên silicon vẫn là giải pháp đem lại nhiều ưu điểm nhất. Tuy nhiên Kane vẫn khá thận trọng đối với luận điểm về việc liệu công nghệ này có thể vượt ra ngoài giới hạn những hệ thống hai bit lượng tử hay không. Thậm chí cho tới nay, ông cũng chỉ dám thừa nhận rằng việc những nhà vật lý đạt được đề xuất năm 1998 của mình là điều dường như xảy ra “trong giấc mơ ngông cuồng nhất“. “Họ đã làm việc trong hàng chục năm để thí nghiệm này thành công” – Kane cho biết: “đó thực sự là sự kiên trì lớn lao !”.