Chúng ta vẫn chưa đến năm 2025, năm dự kiến xuất hiện công nghệ node (process node) 2nm, nhưng chúng ta đã nói về node 1,4 nm. (1) Công nghệ node: trong ngành bán dẫn là một thông số kỹ thuật quan trọng, chỉ ra kích thước tối thiểu của các thành phần trên một con chip. Nói một cách đơn giản, node càng nhỏ thì các linh kiện trên chip càng nhỏ, càng được thiết lập sát nhau hơn.
Đó chính là những gì ngành công nghiệp bán dẫn thực hiện – chuẩn bị cho cuộc cách mạng tiếp theo trước nhiều năm.
Như vậy, các kỹ sư thiết kế luôn cân bằng giữa nhu cầu thu nhỏ và hiệu quả. Nhưng các kỹ sư thiết kế không chỉ đơn thuần làm việc để giảm kích thước của các thiết bị điện tử; họ đang cố gắng vượt qua giới hạn của công nghệ và điều này đòi hỏi các node nhỏ hơn. Đây không phải là một xu hướng mà là sự hoàn thành của định luật Moore (2). Khi chúng ta cố gắng hiểu được những tiến bộ công nghệ này, ngành công nghiệp bán dẫn đang tiến tới một cột mốc quan trọng. (2) Định luật Moore: được ông Gordon Moore, cựu Giám đốc điều hành và đồng sáng lập tập đoàn Intel, tạo ra vào năm 1965. Ông nhận định rằng số bóng bán dẫn trong một con chip sẽ tăng gấp đôi mỗi 2 năm và giá thành sẽ giảm từ 20% đến 30%. Dù ban đầu đó chỉ là một lời dự đoán nhưng cả ngành công nghệ đều sử dụng nó như một lộ trình phát triển sản phẩm. Trong 5 thập kỷ vừa qua, khả năng “tiên tri” của định luật Moore đã giúp các hãng xây dựng chiến lược dài hạn, dù kế hoạch thiết kế chip ban đầu cho thấy tăng mật độ bóng bán dẫn là không thể.
Công nghệ node 1,4 nm dự kiến sẽ ra mắt vào năm 2027, hứa hẹn một kỷ nguyên mới của công nghệ bán dẫn được đánh dấu bằng mật độ bóng bán dẫn, hiệu quả năng lượng và hiệu suất tuyệt vời. Node 1,4 nm là thế hệ tiếp theo trong quá trình thu nhỏ, sẽ định nghĩa lại các hạn chế của sức mạnh tính toán, mở ra cánh cửa cho những tiến bộ về công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI – Artificial Intellingece) và điện toán lượng tử.
Việc đưa node 1,4 nm vào cuộc sống cần có công nghệ sản xuất tiên tiến, như máy quang khắc siêu tia cực tím (EUV – Extreme Ultraviolet) (3) trị giá 400 triệu đô la Mỹ do công ty ASML phát triển. Những loại máy này cho phép đạt mức độ chính xác cao để sản xuất các công nghệ node và đưa chúng ta đi sâu hơn vào quá trình tiến hóa của chất bán dẫn. Chúng ta hãy cùng xem quá trình tiến hóa đó sẽ diễn ra như thế nào và một số ý nghĩa của bước nhảy vọt này trong công nghệ bán dẫn. (3) Siêu tia cực tím: là ánh sáng có bước sóng rất ngắn ở dải tia cực tím. Tia cực tím nằm giữa dải ánh sáng nhìn thấy được (<400 nm) và tia X quang (>10 nm).
Vai trò của công nghệ siêu tia cực tím (EUV) trong sản xuất chất bán dẫn Công nghệ quang khắc EUV đưa công nghệ thu nhỏ vào cuộc sống. Các quy trình do những máy này thực hiện kết hợp các bước sóng ánh sáng ngắn – ngắn hơn nhiều so với các bước sóng được sử dụng trong công nghệ quang khắc truyền thống – để khắc các hoa văn tinh xảo lên các tấm bán dẫn silicon. Việc chuyển sang công nghệ quang khắc EUV đã thúc đẩy xu hướng thu nhỏ và cho phép các công ty thiết lập thêm hàng tỷ bóng bán dẫn vào một con chip. Đây là một nhiệm vụ phức tạp hơn so với các công nghệ quang khắc Deep Ultraviolet (DUV) (4) trước đây. (4) Deep Ultraviolet: là ánh sáng có bước sóng từ 280 nm đến 200 nm
Tuy nhiên, như đã đề cập trước đó, những hệ thống máy móc này chi phí rất cao. Gần đây, tập đoàn Intel đã công bố khoản đầu tư lớn vào các máy quang khắc EUV High-NA từ công ty ASML, cho thấy chiến lược theo đuổi dòng chip với các công nghệ node 1,4 nm tiên tiến của hãng. Tập đoàn Intel nhận ra vai trò của những cỗ máy này trong việc thúc đẩy sản xuất chip và đang chuẩn bị đưa chúng vào chiến lược của mình.
Sự phát triển của mật độ bóng bán dẫn Khi mạch tích hợp được tạo ra vào những năm 1950, nó chỉ chứa một số ít bóng bán dẫn. Ngày nay, chip chứa hàng tỷ bóng bán dẫn, do đó cần sự chuyển đổi từ quy mô vi mô sang quy mô nano, cũng như một số quy trình sản xuất mới và kiến thức mới. Sự tiến hóa tiếp tục từ những năm 1950 đến những năm 1970 với các công nghệ node 10 micromet và tiếp tục lên đến các công nghệ node dưới 10 nanomet trong những năm gần đây. Mỗi lần các kỹ sư thiết kế giảm kích thước bóng bán dẫn, chúng ta thấy sự gia tăng tương ứng về sức mạnh tính toán, hiệu quả và độ phức tạp của các thiết bị điện tử.
Chuyển sang công nghệ node 1,4 nm sẽ là bước nhảy vọt quan trọng nhất về mật độ bóng bán dẫn và hiệu suất chip cho đến nay. Điều này có nghĩa là một số lượng lớn bóng bán dẫn chưa từng thấy được thiết lập trên một con chip, nhưng nó cũng đặt ra một số vấn đề về khoa học vật liệu và kỹ thuật chế tạo. Để vượt qua những khó khăn này, ngành công nghiệp phải đổi mới cách sản xuất chất bán dẫn, bao gồm những tiến bộ về quang khắc và vật liệu mới có thể kiểm soát nhiệt và hoạt động ở cấp độ lượng tử.
Hiểu biết hiện tại của chúng ta về mật độ bóng bán dẫn cần thay đổi. Không phải về số lượng bóng bán dẫn trên một đơn vị diện tích (theo mặt phẳng), mà có lẽ là số lượng bóng bán dẫn trên một đơn vị thể tích (các transistor được xếp chồng lên nhau). Các ứng dụng như thực tế ảo (VR – virtual reality), thực tế tăng cường (AR – augmented reality) và xe tự lái là những ví dụ về mức độ quan trọng của các ứng dụng bóng bán dẫn chuyên dụng, vì chúng dựa vào các hệ thống bán dẫn tiên tiến được cung cấp năng lượng bởi một mạng lưới bóng bán dẫn phức tạp.
Sự thay đổi này minh họa cho sự tái sinh trong phát minh về bóng bán dẫn, nơi mà khó khăn không chỉ nằm ở việc làm cho bóng bán dẫn nhỏ hơn, nhẹ hơn và rẻ hơn, mà còn ở việc đồng thiết kế phần cứng và phần mềm để mô hình hóa thế giới hiệu quả hơn. Khi các kỹ sư thiết kế tiếp cận công nghệ node 1,4 nm dự kiến và nhìn xa hơn, ngành công nghiệp bán dẫn chắc chắn sẽ chuyển đổi, nơi các thiết kế chipset lấy hệ thống làm trung tâm được hỗ trợ bởi bóng bán dẫn tiên tiến có thể định nghĩa lại khả năng của chúng ta.
Tập đoàn Intel dẫn đầu xu hướng Hiện tại, tập đoàn Intel sử dụng công nghệ siêu tia cực tím (EUV) tại ba nhà máy chế tạo: Intel 4, Intel 3 và Intel 20A. Các cơ sở này đóng góp khoảng 15% tổng sản lượng tấm bán dẫn của công ty. Mặc dù công nghệ quang khắc DUV chiếm ưu thế tại nhà máy Intel 7, công ty dự đoán sẽ sớm chuyển sang các node dựa trên công nghệ EUV. Nhà máy Intel 3 đang áp dụng cách tiếp cận chủ động để đáp ứng nhu cầu về chất bán dẫn, đặc biệt là với tầm quan trọng ngày càng tăng của các bộ tăng tốc trí tuệ nhân tạo (AI).
Để thích ứng với nhu cầu tăng đột biến, tập đoàn Intel không chỉ tập trung vào việc chuyển đổi sang các kỹ thuật quang khắc tiên tiến hơn mà còn mở rộng năng lực sản xuất. Công ty cũng đang ưu tiên mạnh mẽ vào các kỹ thuật thiết lập tiên tiến.
Vượt qua công nghệ node 1,4 nm Đúng vậy, tập đoàn Intel đã nghĩ đến năm 2027. Bởi vì, khi ngành công nghiệp phát triển công nghệ node 1,4 nm, nó cũng tiến gần đến giới hạn vật lý và kỹ thuật của công nghệ dựa trên silicon. Mặc dù silicon là xương sống của thiết bị điện tử, nhưng nó đang gặp rủi ro. Nó gặp phải những vấn đề như hiệu ứng đường hầm lượng tử và tản nhiệt vốn là vấn đề ở quy mô nhỏ hơn. Điều này làm phức tạp mọi thứ khi ngành công nghiệp hướng đến mục tiêu thu nhỏ hơn nữa các bóng bán dẫn, đồng thời đe dọa hiệu quả và độ tin cậy của chip. Những rào cản này đòi hỏi các vật liệu thay thế để định luật Moore tiếp tục phù hợp.
Tin tốt là ngành công nghiệp này đã và đang nghiên cứu về nó, như thường lệ. Công nghệ mới nổi như vật liệu hai chiều, như graphene (5) và dichalcogenide kim loại chuyển tiếp (Transition Metal Dichalcogenides) (6), đã sẵn sàng trở thành vật liệu thay thế tiềm năng của quang khắc EUV do các đặc tính nhiệt điện và cơ học của chúng ở độ dày nguyên tử. (5) Graphene: là một vật liệu kỳ diệu được tạo thành từ một lớp nguyên tử carbon duy nhất, sắp xếp theo cấu trúc lục giác hoàn hảo giống như tổ ong. Nó là một trong những vật liệu mỏng nhất, nhẹ nhất và mạnh nhất được biết đến cho đến nay. (6) Dichalcogenide kim loại chuyển tiếp: là một nhóm vật liệu hai chiều (2D) đang được nghiên cứu rất nhiều trong những năm gần đây. Chúng có cấu trúc tương tự như graphene, nhưng với những đặc tính vật lý và hóa học độc đáo.
Ngoài ra, chấm lượng tử có tiềm năng tiến bộ trong quang tử và điện toán lượng tử, cung cấp những cách mới để xử lý và lưu trữ thông tin. Ngoài ra, các công nghệ thiết lập tiên tiến như mạch điện tử tích hợp (IC – integrated circuit) 3D cung cấp các giải pháp kết hợp nhiều chiplet (7) hoặc die (8) thành một bộ phận duy nhất để nâng cao hiệu suất và chức năng mà không cần thu nhỏ các thành phần. (7) Chiplet: Trong lĩnh vực công nghệ chip, đặc biệt là trong thiết kế vi xử lý. Thay vì tạo ra một con chip lớn, phức tạp chứa tất cả các thành phần, chiplet chia nhỏ chip thành nhiều “mảnh ghép” nhỏ hơn, được gọi là các chiplet. Mỗi chiplet sẽ đảm nhận một chức năng cụ thể, như tính toán, đồ họa, bộ nhớ cache, … (8) Die: là một thuật ngữ chỉ một mảnh silicon mỏng được cắt ra từ một tấm bán dẫn silicon lớn. Mảnh silicon này chứa các mạch điện tử tích hợp (IC) và là thành phần cơ bản của các thiết bị điện tử như vi xử lý, bộ nhớ, cảm biến, …
Những tiến bộ vượt xa công nghệ node 1,4 nm có ý nghĩa gì? Khi vượt qua 1,4 nm, chúng ta sẽ mở ra những khả năng mới để chuyển đổi máy tính. Các hệ thống công nghệ AI trở nên mạnh mẽ hơn và có khả năng suy luận phức tạp trong khi tiêu thụ ít năng lượng hơn. Máy tính lượng tử, một công nghệ hưởng lợi từ các chấm lượng tử và tiến bộ vật liệu lượng tử, trở nên thiết thực hơn và thậm chí có thể giải quyết các vấn đề mà máy tính cổ điển vẫn còn gặp khó khăn. Cuối cùng, nếu chúng ta chuyển sang các vật liệu và giải pháp mới, chúng ta có thể duy trì tốc độ thu nhỏ trong khi cải thiện hiệu quả năng lượng.
Kết luận Hành trình vượt qua công nghệ node 1,4 nm không phải là về việc các kỹ sư thiết kế có thể thu nhỏ thiết bị điện tử đến mức nào, mà là sứ mệnh định nghĩa lại cấu tạo của công nghệ máy tính. Lời hứa về node 1,4 nm vào năm 2027 mang lại nhiều sự phấn khích, nhưng không phải vì những gì nó có thể làm được như hiện nay, mà là vì bước đệm mà nó đại diện. Với các công ty như Intel đầu tư vào công nghệ quang khắc EUV tiên tiến và công nghệ thiết lập tiên tiến, ngành công nghiệp này chắc chắn sẽ có sự chuyển đổi. Khi chúng ta tiến gần và nhìn xa hơn năm 2027, sự mong đợi về node 1,4 nm hứa hẹn sẽ mang đến những lĩnh vực mới của công nghệ trí tuệ nhân tạo và điện toán lượng tử, được hỗ trợ bởi hiệu quả và sức mạnh xử lý chưa từng có.
Để xem các tin bài khác về “Bán dẫn”, hãy nhấn vào đây.
Nguồn: Electronics Online
