Nhét Paris vào 1 cái chai

Chip điện tử đã thực sự trở thành một trong những phát minh vĩ đại nhất của con người kể từ Thời đại Nguyên tử. Nó hiện đang là nhiên liệu cho Kỷ nguyên Thông tin ngày nay, là xương sống của công nghệ hiện đại, và đã luồn lách vào mọi mặt của cuộc sống con người. Hầu hết chúng ta đều đã từng nhìn thấy hình ảnh của 1 con chip: cái hình vuông bé nhỏ với kích cỡ vừa vặn đồng xu nằm im lìm trong 1 góc của chiếc laptop, PC hay smartphone. Nhưng chẳng mấy ai từng nhìn được vào bên trong gan ruột của nó, nơi mà cả một thành phố bằng kính và kim loại được dựng nên, một kì tích của kĩ thuật công nghệ giúp hiện thực hóa lời ước “chỉ cần vài chữ nếu, người ta có thể bỏ cả Paris vào 1 cái chai”.

Mình hiện đang làm kĩ sư tại Qualcomm – công ty thiết kế nên con chip Snapdragon 855 ở hình trên (Hình.1). Công việc hàng ngày của mình là phẫu thuật trên xác của những con chip xấu số, những con không sống sót qua được quy trình sản xuất, hoặc tử nạn khi đang được sử dụng bởi người dùng. Và giống như trong các bộ CSI:Miami hay Bằng chứng Thép, mình thuộc đội pháp y có trách nhiệm mổ xẻ tử thi, khám nghiệm nội tạng & da & xương, và cố tìm ra nguyên nhân gây tử vong. Cùng mình tham gia vào một buổi đại phẫu, nơi mà chúng ta được nhìn thấy con chip theo những cách chưa từng và giải mã các câu hỏi về chiếc hộp đen bí ẩn này.

bóc vỏ (decapsulation)

Chip điện tử có nhiều hình dạng, kích thước và khuôn đóng (package) khác nhau. Tuy nhiên về cơ bản, cấu trúc của chúng đều tương đồng. Ở hình.2 bên dưới, ta có thể có 1 cái nhìn khái quát về nội quan bên trong 1 con chip khi các bác sĩ pháp y bắt đầu bóc vỏ chúng – một quy trình được gọi decapsulation. Bên trong chiếc hộp đen này, đặt chính giữa mọi thứ, là con tử silicon (silicon die), cơ quan thiêng liêng và quan trọng nhất của 1 con chip. Nếu so sánh con chip như cơ thể người, thì hiển hiên con tử sẽ là não bộ, một bộ não siêu to choán gần hết không gian bên trong, điều rất có lý khi tất cả những gì con chip làm đều chỉ là tính toán.

Bên cạnh việc vô cùng quan trọng, con tử cũng cực kỳ mỏng manh (silicon thực chất cũng là thủy tinh), và vì thế nên cần được bảo vệ bằng cách phủ quanh nó 1 tấm nhựa đúc – gọi là hợp chất khuôn (mold compound). Hợp chất này chính là thứ vật liệu màu đen phủ quanh con tử và các sợi dây dẫn xung quanh, bao bọc chúng trong một không gian kín (như thể đóng gói trong 1 viên con nhộng capsule – nguồn gốc của từ decapsulation – dịch linh tinh là thuật bóc vỏ). Đương nhiên lớp vỏ này không thể phủ kín hoàn toàn con tử – phải có các đường truyền để con tử gửi tín hiệu ra thế giới bên ngoài. Và những đường truyền đó chính là các dây dẫn (bonding wires)- mỗi sợi kết nối trực tiếp từ con tử đến 1 chân chip (pin) ở ngoài. Trong những thiết bị điện tử đời cũ, các sợi dây dẫn này được làm từ vàng nguyên chất – nhiều Youtuber đã bỏ công thu lượm chip cũ để trích xuất vàng, mặc dù công việc này đòi hỏi trình độ hóa học ở đẳng cấp thượng thừa. Chân chip bên ngoài sao đó sẽ được hàn vào bo mạch – truyền dẫn tín hiệu từ con tử đến các thiết bị khác.

con tử (silicon die)

Bây giờ đến phần thú vị nhất – khám phá con tử silicon. Sau khi cẩn thận tách con tử ra khỏi phần khuôn nhựa đúc, ta đặt nó dưới kính hiển vi và cùng xem xét – hình.3-trái dưới đây là hình ảnh của 1 con tử silicon hoàn chỉnh (ta có thể nhìn được những sợi dây dẫn vẫn còn đang đính lên con tử quanh 4 bờ rìa).

Nếu con chip của chúng ta đã vô cùng nhỏ, thì con tử này còn nhỏ hơn nhiều, và mỏng hơn nhiều.  Có nhiều lý do cho việc con tử trở thành bộ phận quan trọng nhất của con chip, đơn giản nhất mà nói thì đó là vì – nó phức tạp kinh khủng khiếp. Bất chấp kích thước tí hon của mình, con tử là một thành phố theo đúng nghĩa đen với các tòa nhà làm từ bóng bán dẫn, được kết nối với nhau bằng hằng hà sa số những con đường làm từ đồng và xa lộ bằng nhôm. Những con chip vi mạch hiện nay thường có khoảng 9 – 10 tầng dây dẫn kết nối (metal layers), tầng này chồng lên tầng nọ và được liên kết với nhau bằng các trụ via (metal vias). Hệ thống các dây dẫn kim loại và trụ via này được gọi là mạng dẫn liên kết (interconnects).

Hình.3-phải cho chúng ta góc nhìn thẳng góc của các dây dẫn kết nối. Ta có thể thấy những dây dẫn đan xen chồng chất lên nhau, với các đường dây mờ hơn nằm ở tầng trên. Góc nhìn 3D mặt cắt trong hình.4 mô tả cách mà những tầng dây dẫn và trụ via này được sắp xếp và đánh số theo chiều thẳng đứng.

Nằm bên dưới mạng lưới chằng chịt các dây dẫn và trụ via là tầng của các bóng bán dẫn (transistors) trứ danh. Trong khi những dây dẫn chỉ mang nhiệm vụ truyền điện, bóng bán dẫn mới là bộ phận thực sự làm công việc tính toán. Những chiếc bóng bán dẫn này cũng tương tự như neuron thần kinh trong não bộ. Mặc dù mỗi bóng chỉ chứa được một giá trị 0 hoặc 1 (gọi là giá trị boolean), sức mạnh của chúng nằm trong quân số đông đảo. Chip vi xử lý mới nhất của Apple là A13 Bionic có trong mình tới hơn 8.5 tỷ bóng bán dẫn [1], đông hơn cả dân số hiện tại trên Trái Đất. Và để có thể nhét số bán dẫn đông đúc này lên 1 diện tích chỉ nhỉnh hơn chiếc móng tay, mỗi bóng đều đã được thu nhỏ đến kích cỡ chỉ khoảng 10 – 20 nanomet. Thế là nhỏ cỡ nào? Nhỏ đến độ có thể dàn 1000 bóng bán dẫn theo chiều ngang trên đường-kính-của-một-sợi-tóc. Hành trình vật lộn để thu nhỏ bóng bán dẫn này đã kéo dài hàng thập kỷ, với mỗi 2 năm các nhà làm chip lại thu nhỏ chúng gấp đôi, một cuộc hành trình mà ta thường được nghe đến với tên gọi là Định luật Moore [2].

Cuối cùng, nằm dưới cả những bóng bán dẫn là 1 lớp silicon dày, được gọi là tấm nền (substrate). Tầng này sẽ chứa tất cả các doping bán dẫn cần thiết để các bóng bán dẫn hoạt động. Vật liệu tạo nên tấm nền này nhất thiết phải là hợp chất bán dẫn – có khả năng biến đổi trạng thái từ dẫn điện sang cách điện – giúp các bóng bán dẫn có khả năng biểu đạt giá trị 0 hoặc 1. Gần như toàn bộ chip hiện nay đều sử dụng silicon (Si) như vật liệu cho tấm nền, bởi sự hiệu quả và giá thành thấp của nó. Silicon để làm chip cũng chỉ xuất phát từ cát, không phải loại cát ta hay thấy ở bãi biển mà là cát silica đào từ các quặng [3]. Loại silicon cao cấp này sau đó sẽ được đem tinh chế thành silicon siêu cao cấp với độ pha lẫn tạp chất siêu thấp, rồi được đưa đến các nhà xưởng để sử dụng làm tấm nền cho con chip.

Và đó là sơ lược về nội quan của 1 con chip. Để kết thúc bài viết này, dưới đây là 1 video của Intel về cách sản xuất 1 con chip. Công nghệ sản xuất trong clip là tiến trình 22nm, nghĩa là khoảng vài năm trước, nhưng đồ họa của clip vẫn vô cùng hấp dẫn và đáng xem, giúp ta có 1 cái nhìn tổng quan về cách mà con người đã thành công trong việc đưa cả Paris vào trong 1 cái chai.

Trích dẫn:

1. Jason Cross, “Inside Apple’s A13 Bionic system-on-chip”. Available: Macworld.
2. Moore GE (1965) Cramming more components onto integrated circuits. Electronics 38(6).
3. Carrie Marshall (August 25, 2016), “From sandy beach to Kaby Lake: How sand becomes silicon”.