Hành trình của Moore

Chiếc máy tính mới nhất vừa được tung ra thị trường. Bạn ngay lập tức cầm ví ra tiệm, rinh sản phẩm về nhà, khui hộp rồi bật máy lên. Ngay khi cỗ máy đã hoạt động trơn tru, trong lúc lướt web, bạn bắt gặp một trang quảng cáo thông báo thế hệ máy tính mới lại vừa ra lò khiến chiếc máy của bạn trở thành đồ cổ. Mặc dù đã bị phóng đại quá mức, câu chuyện trên miêu tả phần nào sự phát triển chóng mặt của công nghệ điện tử ngày nay. Các phát minh mới xuất hiện mỗi tuần, với số lượng transistor (bóng bán dẫn) trên cùng một diện tích nhân đôi cứ mỗi 18 hay 24 tháng. Xu hướng này được biết đến nhiều nhất qua định luật Moore nổi tiếng, một lời tiên tri đã được chứng minh là đúng suốt nhiều thập kỉ, bao trùm toàn bộ sự phát triển của nghành công nghiệp bán dẫn. Định luật Moore xoay quanh sự tiến hóa của transistor – nhân tố cơ bản nhất trong 1 con chip, tiên liệu rằng nó sẽ thu nhỏ theo thời gian, giúp con người có được những thiết bị nhỏ hơn và mạnh mẽ hơn. Cùng theo chân các nhà khoa học và những người làm chip đã dấn thân vào cuộc hành trình này, chiêm ngưỡng họ thay đổi transistor từ những bóng chân không thành các hạt vi mạch nano.

bóng chân không

Trước khi transistor được phát minh, thiết bị được sử dụng rộng rãi nhất trong đồ điện tử là các bóng chân không (vacuum tubes). Bóng chân không chỉ đơn giản là một ống thủy tinh chứa trong nó môi trường chân không. Điều thú vị là khi đặt 2 điện cực vào 2 đầu, ta có thể tạo ra dòng điện chạy giữa 2 điện cực ấy – một dòng điện mà không cần dây dẫn. Thomas Edison phát hiện ra điều này lần đầu tiên vào năm 1883 trong lúc hí hoáy với những chiếc bóng đèn của mình (bóng đèn cũng là 1 loại bóng chân không). Tuy nhiên phát hiện này không thức sự hữu ích mãi cho tới năm 1904, khi mà John A. Fleming tạo ra loại bóng chân không mà ngày nay chúng ta gọi là diode. Diode cũng như một chiếc valve, cho phép dòng diện chảy theo một hướng nhất định. Và chiếc diode này sau đó đã được cải tiến bởi Lee De Forest, ứng dụng bởi Bell Labs – phòng thí nghiệm bán dẫn trứ danh, rồi được đưa vào các thiết bị điện tử đương thời như là radio và tivi vô tuyến.

Nhưng các bóng bán dẫn này hay hỏng hóc và chúng cũng tỏa ra nhiều nhiệt nữa. Bell Labs bắt đầu tìm các phương pháp kiểm soát electron mới. Vào ngày 23 tháng 12, 1947, hai kĩ sư từ Bell Labs, John Bardeen & Walter Brattain đã bước vào ngôi đền của các huyền thoại bằng việc tạo ra con transistor đầu tiên: loại transistor điểm-tương tác (point-contact transistor) (hình.1-phải). Nó gồm 1 cổng có thể đóng mở để cho phép hay ngăn cản dòng điện đi qua, cùng nguyên lý áp dụng trong các transistor ngày nay. Phát minh này mang đến cho hai người giải Nobel Vật Lý vào năm 1956, cùng với William Shockley (sau này Bardeen giành thêm 1 giải Nobel khác vào năm 1972 cho lý thuyết siêu dẫn BCS, giúp ông trở thành người duy nhất đạt 2 giải Nobel Vật Lý[1]). Con transistor đầu tiên cao chừng nửa inch (1.3 cm), 1/50 kích cỡ của bóng bán dẫn, và nhanh chóng được lắp đặt vào các tivi và radio, sử dụng ít năng lượng hơn mà lại ổn định hơn rất nhiều.

vi mạch tích hợp

Bước nhảy vọt tiếp theo của nghành điện tử được thực hiện bởi Jack Kilby vào năm 1958: vi mạch tích hợp (integrated circuit). Tuy phát kiến này không phải là về việc thu nhỏ kích cỡ transistor, nhưng nó vô cùng quan trọng và đã định hình nghành công nghiệp bán dẫn như ta thấy ngày nay. Các thiết bị điện tử trước đây bao gồm nhiều phần tử riêng lẻ, được kết nối với nhau bằng dây điện lằng ngoằng như ta có thể thấy trong hình.2 – một chiếc radio được sản xuất ở Liên Xô vào thập niên 1960. Một sự thực ngạc nhiên là con người đã phóng ra ngoài vũ trụ bằng các thiết bị phức tạp như thế này.

Jack Kilby thí nghiệm việc tích hợp vi mạch nguyên khối, đặt tất cả transistor, điện trở và tụ điện lên cùng một khối vật liệu bán dẫn. Các dây kim loại sẽ được in phủ lên trên những thiết bị này và kết nối chúng lại với nhau. Và đó cũng là phương pháp mà người ta sản xuất chip điện tử đến ngày nay. Bằng sáng chế vi mạch tích hợp được trao cho cả Jack Kilby (Texas Instruments) và Robert Noyce (Fairchild Semiconductor), cùng với việc 2 công ty chủ quản của họ đã khôn ngoan bắt tay nhau sau hàng nằm trời kiện tụng, tạo nên một thị trường toàn cầu có giá trị hiện nay lên tới hơn 1 nghìn tỷ USD [2].

mosfet

Sau khi vi mạch tích hợp được sử dụng, thiết bị điện tử bắt đầu thu nhỏ dữ dội. Cột mốc tiếp theo là các transistor phẳng (planar transistor) – còn gọi là MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors), một mô hình transistor được giảng dạy rộng rãi tại các trường đại học công nghệ. Mô hình MOSFET có thể được giải thích bằng hình.4 bên dưới: một điện cực CỔNG (gate) kiểm soát kênh dẫn giữa 2 điện cực NGUỒN (source) và MÁNG (drain), hoặc cho phép dòng điện đi qua kênh hoặc ngăn cản nó. Cách thức hoạt động này y hệt như chiếc công tắc: bật hoặc tắt để cho phép hoặc dừng dòng điện, kiểm soát đèn đóm trong nhà bạn.

Vào năm 1959, John Atalla & Dawon Kahng tại Bell Labs đã chế tạo thành công MOSFET đầu tiên. Nhà vật lý Jean Hoerni phát triển được phương pháp chế tạo transistor phẳng vào cùng năm, và tới năm 1961 công ty Fairchild Semiconductor giới thiệu mạch tích hợp đầu tiên sử dụng transistor phẳng. Kể từ lúc đó, các nhà làm chip đã nỗ lực thu nhỏ khoảng cách giữa Nguồn và Máng bằng nhiều phương pháp, thúc đẩy công nghệ phát triển chóng mặt và thay đổi thế giới theo cách chưa từng thấy.

Trong khoảng thời gian này, huyền thoại Gordon Moore đang làm giám đốc ban Nghiên cứu & Phát triển tại Fairchild. Đây cũng là thời gian mà lời tiên tri của ông bắt đầu. Vào năm 1965, có khoảng 50 bộ phận trong một vi mạch. Chỉ mười năm sau, vào năm 1975, vi mạch tích hợp đã có tới gần 65,000 phần tử. Và tới năm đầu tiên của thế kỉ 21, đã có tới 42 triệu transistor trong 1 con chip – chip Pentium 4 sản xuất bởi Intel[3], công ty do chính tay Gordon Moore góp sức xây dựng. Máy tính được đưa vào sử dụng rộng rãi trong các gia đình với hệ điều hành Windows98, trong khi điện thoại không còn cần dây, và Internet trở nên phổ biến. Nhân loại chuyển mình hoàn toàn sang Kỉ nguyên Công nghệ, và những bộ phim như Ma Trận ra đời để bàn luận xem liệu chúng ta có đang sống trong thực tại ảo.

Tuy nhiên, mô hình của transistor những năm 2000 không khác nhiều so với nguyên mẫu của năm 1965. MOSFETs vẫn chiếm đa phần trong chip điện tử, với cấu tạo vẫn là phẳng, chỉ là khoảng cách kênh dẫn ngày một nhỏ hơn. Và khi khoảng cách này đã thu hẹp đến cực hạn, transistor trở nên mất ổn định. Khi Máng và Nguồn được sắp quá gần nhau, thì điện cực Cổng không còn có thể kiểm soát kênh dẫn, và transistor bị rò điện. Bất kì khoảng cách nào nhỏ hơn 15nm đều khiến transistor dừng hoạt động. Có vẻ như công nghệ bán dẫn đã đi đến những ngày cuối cùng của sự phát triển. Hoặc là không.

finfet

Khi mà việc thu nhỏ MOSFETs phẳng trở nên bất khả, FinFETs trỗi dậy, bắt đầu từ tiến trình 20nm CMOS logic, và trở thành cứu tinh cho định luật Moore. Mô hình FinFET này rất mới vẫn còn chưa được giảng dạy tại bậc đại học. Sử dụng Cổng bao quanh lấy kênh dẫn dạng vây cá (fin) của transistor ở ba phía, bên trên, trái & phải – còn được gọi là Tri-Gate bởi Intel – hiện tượng rò điện của transistor ngay lập tức được kiểm soát. Những nhà thiết kế lại được tự do thu hẹp kích cỡ và giảm thiểu điện áp. Chip điện tử áp dụng FinFET bắt đầu được thương mại hóa vào những năm đầu 2010s và trở thành cấu trúc chủ đạo trong các tiến trình 14 nm, 10 nm, và 7 nm. Các chip vi xử lý đáng gờm nhất của năm 2020 – Apple A13 Bionic, Qualcomm Snapdragon 855, và AMD Radeon VII đều đang sử dụng công nghệ 7nm FinFet, cho phép xếp hàng tỷ con transistor trên một con tử.

Transistors ngày nay nhỏ tới mức có thể nhét hơn 1 triệu bóng trên đầu mũi kim. Khi transistor giảm kích cỡ xuống đến ngưỡng nanomet, nó thoát ra khỏi các định luật vật lý cổ điển và bước vào thế giới lượng tử. Các electron trở nên khó lường trong thế giới này trong khi những lớp vật liệu mỏng có thể bị xuyên qua như thể chúng làm từ nước. Những nhà làm chip đã nghĩ ra nhiều phương pháp khác nhau: từ việc ứng dụng dây nano – nanowire (GAAFETs) cho tới sử dụng photon thay vì electron, tất cả nhằm cố gắng giữ vững định luật Moore. Cũng như 20 năm về trước, nghành công nghiệp điện tử nay lại đối mặt với một thử thách mới, lần này là giới hạn cơ bản của vật lý. Liệu lời tiên tri của Moore có sống sót, hay liệu cuối cùng nó sẽ bị đánh bại?

Rất khó để nhìn trước tương lai. Nhưng bài học quan trọng nhất mà đinh luật Moore để lại, đó là đừng quá vội kết luận một điều gì là bất khả. Định luật Moore đã trở thành một lời tiên tri tự ứng nghiệm, một mục tiêu mà con người theo đuổi bất chấp sự hoang đường của nó, và đã thành công trong một quãng thời gian đáng kinh ngạc là 55 năm tới nay. Có lẽ định luật Moore sẽ ra đi vào một ngày không xa. Nhưng đối diện với Tử Thần, chỉ có một câu trả lời.

Không phải hôm nay.

Trích dẫn:

1. “Double Noble: The Magnificent Four Who Received The Nobel Prize Twice”, December 11, 2015
2. Marry Bellis, “The History of Integrated Circuit (Microchip)”, April 06, 2017. Available: thoughtco.com
3. Markoff, John. “Researchers Make an Ultra-Tiny Chip.” New York Times, 06/10/01: A42.