Bóng bán dẫn - 60 năm ra đời và phát triển

0 Thanh Niên Online

* Hơn 30 triệu bóng bán dẫn (transistor) 45nm có thể nằm gọn trong một chiếc đầu kim Xét về khía cạnh trợ giúp những phát minh và công nghệ thì không có một phát minh nào quan trọng hơn chiếc bóng bán dẫn (transistor) được tạo ra từ 60 năm trước tại Bell Labs. Gần như mọi thiết bị điện tử mà chúng ta biết hiện nay sẽ không tồn tại nếu không có sự ra đời của bóng bán dẫn.

Bóng bán dẫn - 60 năm ra đời và phát triển

Bóng bán dẫn là những thành phần chính của các bộ vi xử lý, một thiết bị cần thiết trong nhiều sản phẩm mà chúng ta sử dụng hàng ngày như tivi, xe hơi, radio, thiết bị y tế, các thiết bị điện tử, máy tính và cả những con tàu vũ trụ nữa.

Hãy làm một so sánh nhỏ để thấy được sự phát triển vượt bậc của bóng bán dẫn trong 60 năm qua. Chiếc đài bán dẫn đầu tiên chỉ có 4 bóng bán dẫn và con chip máy tính đầu tiên của Intel - bộ não của chiếc máy tính PC - chỉ chứa 2.300 bóng bán dẫn. Trong khi đó con chip mới nhất của Intel dựa trên quy trình sản xuất 45nm được giới thiệu vào tháng 11/2007 chứa tới 820 triệu bóng bán dẫn. Bóng bán dẫn - “chiếc động cơ nhỏ bé” -  tương tự như là một phiên bản thu nhỏ của “chiếc công tắc bật tắt” hỗ trợ việc xử lý thông tin trong một chiếc máy tính, đã đưa chúng ta vào thời đại số.

Chiếc bóng bán dẫn liên tục được cải tiến để trở nên nhỏ bé hơn, nhanh hơn và có hiệu suất sử dụng năng lượng cao hơn sau mỗi một thế hệ. Các kỹ sư của Intel gần đây đã sử dụng những loại vật liệu mới trong công thức silicon của mình cùng quy trình sản xuất mới để tạo ra những con chip mới sáng tạo dựa trên vi kiến trúc Intel® Core™ trong đó sử dụng những mạch điện 45nm mới của Intel (chúng nhỏ đến mức 300 chiếc bóng bán dẫn như vậy có thể được gói gọn trong một tế bào máu của con người).

Phát kiến quan trọng nhất của thế kỷ 20

• 2.000 chiếc bóng bán dẫn 45nm có thể nằm vừa trên bề ngang của một sợi tóc người.

• Hơn 30 triệu bóng bán dẫn 45nm có thể nằm gọn trong một chiếc đầu kim.

• Một bóng bán dẫn 45nm có thể bật tắt tới 300 tỷ lần mỗi giây; một tia sáng chỉ đi được không đầy một phần mười inch trong khoảng thời gian cần thiết để một bóng bán dẫn 45nm bật và tắt.

• Chiếc bóng bán dẫn đầu tiên được phát triển bởi Bell Labs năm 1947 có thể cầm được bằng tay, trong khi hàng trăm chiếc bóng bán dẫn 45nm mới của Intel có thể nằm gọn trên bề mặt của một tế bào máu.

• Nếu một ngôi nhà cũng được thu gọn với cùng một tốc độ thu nhỏ các bóng bán dẫn thì bạn sẽ không thể nhìn thấy ngôi nhà đó nếu không sử dụng kính hiển vi. Để nhìn thấy một bóng bán dẫn 45nm, bạn cần đến một chiếc kính hiển vi rất hiện đại.

• Giá của một chiếc bóng bán dẫn nằm trong bộ vi xử lý mới nhất của Intel chỉ bằng khoảng một phần triệu giá trung bình của một chiếc bóng bán dẫn vào năm 1968. Nếu giá xe hơi cũng giảm với cùng một tốc độ như vậy thì một chiếc xe hơi mới hiện nay chỉ có giá 1 xu.

• Ước đoán có khoảng 10.000.000.000.000.000.000 bóng bán dẫn được bán mỗi năm, bằng khoảng 100 lần số con kiến có mặt trên trái đất.

• Bạn có thể sắp xếp hơn 2.000 chiếc bóng bán dẫn 45nm trên bề ngang của một sợi tóc người.

Sự sáng tạo ra bóng bán dẫn cuối năm 1947 có thể là phát kiến quan trọng nhất của thế kỷ 20. Tất nhiên ảnh hưởng của nó đối với cuộc sống hàng ngày trong thế kỷ 20 và 21 không hề được đánh giá quá mức. “Con bọ”, theo cách gọi trìu mến của những tay chơi đồ điện tử, được sử dụng lần đầu tiên trong khuếch đại các tín hiệu âm thanh. Chính bởi vì điều này, thiết bị xách tay vô tuyến đầu tiên của thập niên 50 của thế kỷ trước được biết đến như là những chiếc đài sử dụng bóng bán dẫn (đài bán dẫn). Nhưng trong dài hạn thì ứng dụng quan trọng nhất của bóng bán dẫn lại là ở vai trò của một công tắc đóng mở trong mạch điện tích hợp (IC), được biết đến nhiều hơn dưới dạng các con chip.

Nhờ vai trò như là một công tắc bé xíu, hàng trăm triệu chiếc bóng bán dẫn cùng nằm trong những con chip cấu thành trái tim của những thiết bị điện tử mà con người sử dụng hàng ngày, như máy PC, máy tính xách tay và máy chủ, điện thoại di động, lò vi sóng, xe hơi... và danh sách này là vô hạn. Trong khi chiếc đài bán dẫn đầu tiên chỉ sử dụng 4 bóng bán dẫn, con chip mới được giới thiệu vào ngày 12/11 vừa qua chứa tới 820 triệu bóng bán dẫn. Không một con chip nào có thể hoạt động mà không có bóng bán dẫn, và không một chiếc máy tính nào có thể hoạt động mà không có chip, điều đó làm cho bóng bán dẫn có một vai trò không thể thiếu trong những tiến bộ công nghệ trong 60 năm qua.

Một điều thú vị, về cơ bản bóng bán dẫn không làm gì nhiều hơn một công tắc bóng đèn thông thường: đó là bật hoặc tắt. Vị trí Bật của bóng bán dẫn được biểu thị bằng số ‘1’, còn vị trí Tắt được biểu thị bằng số ‘0’. Một số lượng lớn các bóng bán dẫn phát ra các số 1 và số 0 mà máy tính sử dụng để tính toán, xử lý ký tự, phát đĩa DVD và hiển thị hình ảnh.

Việc phát minh ra bóng bán dẫn thuộc về ba cộng sự tại Bell Lab: John Bardeen, Walter Brattain và William Shockley, những người đã được trao tặng giải Nobel về Hóa học cho phát minh của họ vào năm 1956. Cái tên bóng bán dẫn được John R. Pierce nghĩ ra, đó là một nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Bell Telephone Laboratories nổi tiếng. Vào tháng 5/1948, ông đã giành được giải thưởng của phòng thí nghiệm về cái tên hấp dẫn cho một phát minh mới chỉ có 6 hoặc 7 tháng tuổi ở vào thời điểm đó. Thế giới là một tổ hợp của “sự dẫn nạp” (sự truyền tải của một điện tích) và "những điện trở biến đổi" hay "biến trở".

Rock ’n’ roll

Bardeen và Brattain đã xây dựng thành công bóng bán dẫn tiếp xúc điểm đầu tiên vào tháng 12/1947, trong đó dòng điện trong bóng bán dẫn được truyền dọc theo bề mặt của chất bán dẫn điện. Bóng bán dẫn sau đó khuếch đại tín hiệu điện được chuyển qua nó. Trong những giai đoạn ban đầu của việc sử dụng bóng bán dẫn, ứng dụng chính là để khuếch đại tín hiệu điện theo một cách thức có hiệu quả cao hơn so với việc sử dụng những ống chân không (đèn điện tử) lớn và cồng kềnh được sử dụng ở thời điểm đó.

Để việc phát triển bóng bán dẫn có tốc độ càng cao càng tốt, Bell Labs đã quyết định cung cấp công nghệ bóng bán dẫn theo bản quyền. 26 công ty, bao gồm cả IBM và General Electric, đã mua giấy phép, mỗi công ty trả 25.000 USD. Nhưng để công nghệ bóng bán dẫn trở nên thành công về mặt kinh doanh, nó sẽ phải thu hút được sự quan tâm của số đông. Nhờ chiếc đài bán dẫn, điều đó đã trở thành sự thực. Mô hình đầu tiên của chiếc đài bán dẫn được giới thiệu vào tháng 10/1954 chứa 4 chiếc bóng bán dẫn. Chiếc đài bán dẫn xách tay có nghĩa là con người có thể nghe được âm nhạc và thông tin ở bất cứ đâu. Nhờ khả năng có thể xách di chuyển của chiếc đài, một cuộc cách mạng về âm nhạc đã ra đời - nhạc rock ‘n’ roll.

Bóng bán dẫn - 60 năm ra đời và phát triển - ảnh 1
Mẫu transistor đầu tiên. Ảnh Bell Labs, porticus.org

Mạch tích hợp

Vào cuối thập kỷ 50, bóng bán dẫn đã tìm được con đường để đến với đài thu thanh, máy điện thoại và máy tính. Và mặc dù chúng đã nhỏ hơn nhiều so với các đèn điện tử, chúng vẫn chưa đủ nhỏ cho một thế hệ mới của các thiết bị điện tử. Do đó, một phát minh thứ hai là cần thiết để cung cấp năng lực tính toán nhị phân lớn của những bóng bán dẫn độc lập trong khi biến chúng trở nên phù hợp với sản xuất số lượng lớn ở mức chi phí thấp hơn bao giờ hết.

Năm 1958, Jack Kilby (công ty Texas Instruments) và Robert Noyce (công ty Fairchild Semiconductor, người sau đó đã tham gia đồng sáng lập công ty Intel) đã khám phá về số lượng bóng bán dẫn lớn nhất có thể được tích hợp bên trong của một mạch tích hợp (IC hay chip). Đó là một bước tiến đáng kể so với tình huống trong đó những phần tử độc lập phải được tích hợp bằng tay.

Các con chip có hai ưu điểm: chi phí thấp hơn và hiệu năng cao hơn. Cả hai ưu điểm này đều là kết quả của những sự thu nhỏ đáng kể, và còn tạo ra một sự năng động lớn trong quy trình sản xuất. Gordon Moore, người mà vào năm 1968 đã đồng sáng lập ra công ty chip khổng lồ Intel cùng với Noyce, đã đưa ra một dự báo trong một bài đang trên cuốn tạp chí được xuất bản vào năm 1965 được biết đến như là “Định luật Moore”. Định luật này dự báo rằng số lượng bóng bán dẫn trên một con chip có thể tăng gấp đôi sau mỗi hai năm, điều đó cũng mang lại sự tăng trưởng về công suất xử lý. Rất nhiều linh kiện nhỏ, tất cả đều được sắp xếp trên một bề mặt nhỏ, được chứng minh là yếu tố quyết định đối với sự đột phá của chip.

Các nhà sản xuất chip đã và đang có thể duy trì sự tăng trưởng theo hàm mũ này trong hơn 40 năm qua. Con chip máy tính đầu tiên của Intel, con chip 4004 được sản xuất vào năm 1971, chứa 2.300 bóng bán dẫn. Tới năm 1989, con chip i486 chứa 1.200.000 bóng bán dẫn và vào năm 2000, con chip Pentium đạt tới con số 42 triệu. Con chip 45nm mới của Intel chứa tổng số 820 triệu bóng bán dẫn (transistor).

"Đùa giỡn" với nguyên tử

Sự kết thúc của Định luật Moore đã được dự báo trong rất nhiều tình huống. Theo định nghĩa, không có sự tăng trưởng theo hàm mũ nào là mãi mãi - tuy vậy các nhà sản xuất chip dường như luôn tìm một cách thức để duy trì sự “mãi mãi”. Tháng 12 năm ngoái, Gordon Moore dự báo rằng định luật của ông sẽ vẫn còn đúng trong vòng tối thiểu là từ 10 đến 15 năm nữa - đó là khi những rào cản cơ bản có thể xuất hiện và buộc định luật của ông phải giậm chân tại chỗ. Nhưng đôi khi dường như là định luật nổi tiếng nhất trong thế giới điện toán cũng có thể gặp khó khăn để có thể duy trì sự đúng đắn trong thế kỷ 21.

Để duy trì sự tăng trưởng theo hàm mũ đã được phát biểu bởi định luật Moore, các bóng bán dẫn cần phải thu nhỏ đi một nửa sau xấp xỉ 24 tháng. "Trận chiến" thu nhỏ này đã đẩy một bộ phận quan trọng của bóng bán dẫn đến giới hạn của mình: đó là phần điôxit silic (SiO2) đóng vai trò của một lớp cách điện giữa cực cổng và cực máng nơi dòng điện chạy qua khi bóng bán dẫn được bật lên. Với mỗi một thế hệ chip mới, lớp cách điện này lại trở nên mỏng hơn - cho đến hai thế hệ trước, nó chỉ còn có 1.2nm  hay có độ dày là 5 nguyên tử. Các kỹ sư của Intel không còn có thể "bào mỏng" thêm bất kỳ một nguyên tử nào nữa.

Khi lớp cách điện trở nên mỏng hơn thì dòng rò xuất hiện. Nó giống như là một vòi nước bị nhỏ giọt: lớp cách điện bắt đầu làm rò rỉ dòng điện vào trong bóng bán dẫn. Điều đó làm cho bóng bán dẫn ứng xử hoàn toàn khác, tiêu tán ra một lượng năng lượng lớn hơn. Kết quả là: con chip tiêu thụ nhiều điện năng hơn, phát ra một lượng nhiệt lớn trong khi hoạt động.

Bóng bán dẫn - 60 năm ra đời và phát triển - ảnh 2
3 mẫu transistor của những năm thuộc thế kỷ 20. Ảnh Bell Labs, porticus.org

Giới hạn cơ bản

Bóng bán dẫn bị rò điện là thách thức lớn nhất đối với ngành công nghiệp bán dẫn: nếu không có sự đột phá lớn nào, họ có thể bị dồn đến một giới hạn cơ bản đã được dự báo từ lâu. Điều đó không chỉ hàm ý sự kết thúc của định luật Moore mà nó còn đe dọa việc đưa cuộc cách mạng số của những thập kỷ trước đây đến một sự dừng lại đột ngột. Các con chip máy tính có hiệu năng được tăng gấp đôi sau mỗi chu kỳ 24 tháng sẽ trở thành những điều của quá khứ.

Giải pháp cho cuộc khủng hoảng được tìm ra bởi việc làm cho lớp cách điện mỏng hơn. Điều chỉ được minh chứng là có thể bằng việc sản xuất lớp cách điện đó bằng một loại vật liệu khác - có chứa số lượng nguyên tử nhiều hơn. Vào tháng 1/2007, Intel đã công bố rằng lần đầu tiên sau 40 năm, lớp cách điện sẽ không còn được chế tạo từ điôxit silic nữa mà là bằng Hafnium, một kim loại màu xám bạc có những đặc tính điện tốt hơn và cắt giảm được dòng rò tới 10 lần. Bản thân Gordon Moore đã gọi sự đột phá này là “sự thay đổi quan trọng nhất về công nghệ bóng bán dẫn kể từ cuối thập kỷ 60".

Nhưng đột phá này mới chỉ là một nửa của giải pháp. Loại vật liệu mới cho thấy là nó không tương thích với một bộ phận quan trọng khác của bóng bán dẫn là cực cổng. Tệ hơn nữa là những bóng bán dẫn đầu tiên sử dụng loại vật liệu cách điện mới còn hoạt động kém hiệu quả hơn cả những bóng bán dẫn cũ. Câu trả lời được tìm thấy trong việc sử dụng một loại vật liệu mới cho cực cổng: một tổ hợp bí mật, độc đáo của các kim loại mà Intel đang xem là một bí mật được bảo vệ nghiêm ngặt.

Vào ngày 12/11/2007, Intel đã giới thiệu một thế hệ mới của những con chip sử dụng những loại vật liệu mới này và dựa trên quy trình sản xuất 45nm. So với quy trình 65nm trước đây, quy trình sản xuất nhỏ hơn này cho phép Intel gần như tăng gấp đôi số lượng bóng bán dẫn trên cùng một diện tích bề mặt, cho phép công ty lựa chọn giữa việc tăng tổng số bóng bán dẫn hoặc làm ra những con chip nhỏ hơn. Vì những bóng bán dẫn 45nm nhỏ hơn so với thế hệ trước, chúng chỉ yêu cầu mức năng lượng nhỏ hơn 30% để bật và tắt.

Trong những thập kỷ vừa qua, bóng bán dẫn và chip đã liên tục mang lại công suất xử lý lớn hơn với mức chi phí thấp hơn. Điều đó đã minh chứng động cơ cuối cùng cho việc tự động hóa nền kinh tế toàn cầu. Nhưng con chip và máy tính vẫn còn cả một quãng đường dài phía trước. Theo thời gian, máy tính đã phát triển thành một công cụ thi hành tuyệt vời những mệnh lệnh do con người đưa ra. Nó in ra những bức thư, gửi e-mail, xử lý những tác vụ tính toán trong bảng tính và phát các bộ phim. Trong tương lai, máy tính được kỳ vọng là sẽ trở thành những cố vấn cho con người; nó sẽ học từ những ứng xử của chúng ta và thích ứng bản thân nó một cách phù hợp. Những bước dự định đầu tiên theo hướng này có thể được nhìn thấy trên những trang web lấy người tiêu dùng làm trung tâm như là Amazon và iTunes. Chúng đưa ra những khuyến nghị cho người tiêu dùng về những nội dung mua sắm khác dựa trên ứng xử mua hàng của chính người tiêu dùng.

Công suất tính toán ngày càng cao là kết quả của định luật Moore cũng cho phép loài người giải quyết những vấn đề của thời đại có tầm ảnh hưởng lớn hơn như khí hậu, bệnh tật (di truyền), chăm sóc sức khỏe với giá cả hợp lý, làm sáng tỏ những bí mật về gen. Những vấn đề đó đang được nghiên cứu hiện nay là không thể tưởng tượng được ở vào thời điểm 5 năm về trước. Các ứng dụng này làm thay đổi cuộc sống và duy trì cuộc sống. Công suất xử lý càng cao trong các máy tính và chip thì những kết quả của những nghiên cứu này càng lớn và là hết sức cần thiết đối với loài người. Một thập kỷ mới của định luật Moore đã hiện ra.

Theo Intel.com

VIDEO ĐANG XEM NHIỀU