Xem bản thử nghiệm

Để giữ Định luật Moore sống mãi, đã đến lúc chúng ta cần đến giải pháp ánh sáng

Nguyễn Hải , Theo Trí Thức Trẻ

Kích thước của chip bán dẫn đã tới gần giới hạn của sản xuất và tốc độ, liệu định luật Moore đã đến hồi kết hay vẫn còn một giải pháp khả thi khác.

Trong hơn 4 thập kỷ qua, ngành công nghiệp điện tử đã được dẫn dắt bởi “Định luật Moore”, nhưng đó gần như là tiên đề hay một khám phá hơn là một định luật. Theo đó, nó cho rằng, các thiết bị điện tử sẽ tăng gấp đôi về tốc độ và năng lực sau mỗi 2 năm. Và trên thực tế, hàng năm các hãng công nghệ đều cho ra mắt những thiết bị mới, nhanh hơn, thông minh hơn và tốt hơn.

Đặc biệt, định luật Moore còn chỉ rõ rằng “số bóng bán dẫn tích hợp trên một con chip sẽ tăng gấp đôi sau mỗi 24 tháng.” Các bóng bán dẫn – những công tắc điện tí xíu – là thành phần cơ bản giúp điều khiển mọi thiết bị điện tử mà chúng ta thường thấy. Khi chúng trở nên nhỏ hơn, chúng cũng nhanh hơn và tiêu thụ ít điện năng hơn khi hoạt động.

Trong thế giới công nghệ, một trong những câu hỏi lớn nhất của thế kỷ 21 là: Chúng ta có thể làm các bóng bán dẫn này nhỏ đến mức nào? Liệu có một giới hạn nào đó cho kích thước mà chúng có thể đạt tới, hay có một điểm nào đó khi chúng ta không thể tiếp tục làm ra các thiết bị nhỏ hơn, mạnh hơn và hiệu quả hơn? Bán dẫn là một ngành công nghiệp trị giá 200 tỷ USD doanh thu hàng năm tại riêng nước Mỹ. Liệu nó có dừng lại hay không?

Tiến gần tới giới hạn

Hiện tại, các công ty như Intel đang sản xuất hàng loạt những bóng bán dẫn (các transistor) với kích thước 14nm – nghĩa là chỉ rộng hơn 14 lần so với một phân tử AND. Chúng được làm bằng silicon, loại nguyên liệu phổ biến thứ hai trên hành tinh của chúng ta. Các nguyên tử silicon có kích thước khoảng 0,2 nm.

Các bóng bán dẫn ngày nay có chiều rộng bằng khoảng 70 nguyên tử silicon, vì vậy khả năng làm chúng nhỏ hơn nữa cũng đang bị thu hẹp lại. Chúng ta hiện đang rất gần với một giới hạn về việc có thể làm một bóng bán dẫn nhỏ đến mức độ nào.

Hiện tại, các bóng bán dẫn đều sử dụng các tín hiệu điện – dòng di chuyển của các electron từ nơi này sang nơi khác – để giao tiếp. Nhưng nếu chúng ta sử dụng ánh sáng, với các photon, thay vì các hạt mang điện, chúng ta có thể làm các transitor nhanh hơn nữa.

Đưa ánh sáng vào bên trong con chip

Một bóng bán dẫn có ba phần: hãy tưởng tượng nó giống như các phần của một chiếc camera kỹ thuật số. Đầu tiên, thông tin đi vào qua ống kính, cũng tương tự như cực Nguồn (Source) của bóng bán dẫn. Sau đó, nó sẽ di chuyển qua một kênh từ cảm biến hình ảnh để tới các sợi dây bên trong chiếc camera. Và cuối cùng, thông tin sẽ được lưu trữ trong thẻ nhớ của máy ảnh, hay còn được gọi là cực Máng (Drain) của bóng bán dẫn – nơi thông tin kết thúc hành trình của mình.

Hiện tại, tất cả mọi thứ đều xảy ra bằng việc di chuyển các hạt mang điện. Để ánh sáng thay thế dòng điện như một phương tiện vận chuyển, chúng ta cần thực sự di chuyển được các photon – các hạt ánh sáng. Các hạt hạ nguyên tử như electron và photon di chuyển theo các mô hình sóng, liên tục đi lên và xuống nhưng chỉ theo một hướng nhất định. Chiều dài của mỗi bước sóng phụ thuộc vào những gì nó đi qua.

Trong các miếng silicon, bước sóng hiệu quả nhất cho các photon là 1,3 micromet. Đây là một kích thước rất nhỏ - một sợi tóc người chỉ có bề rộng khoảng 100 micromet. Nhưng các electron trong miếng silicon thậm chí còn nhỏ hơn – với bước sóng ngắn hơn từ 50 đến 1.000 lần so với bước sóng của photon.

Điều này có nghĩa là các trang thiết bị sử dụng chip ánh sáng cần có kích thước lớn hơn các thiết bị dùng chip điện mà chúng ta đang có ngày nay. Vì vậy, dường như điều này sẽ buộc chúng ta phải làm các bóng bán dẫn có kích thước lớn hơn, thay vì nhỏ hơn như hiện nay.

Tuy nhiên, có hai lý do sẽ giúp chúng ta làm được những con chip có cùng kích thước như hiện tại nhưng có nhiều sức mạnh xử lý hơn, hoặc thu hẹp con chip lại trong khi vẫn có khả năng xử lý tương đương, hoặc có thể cả hai điều trên. Đầu tiên, một con chip ánh sáng (photonic chip) chỉ cần một vài nguồn sáng, để tạo ra các photon, và sau đó những hạt ánh sáng này sẽ được điều hướng bên trong con chip với những ống kính và gương vô cùng nhỏ.

Thứ hai, ánh sáng nhanh hơn nhiều so với dòng điện của các hạt electron. Một photon trung bình di chuyển nhanh hơn 20 lần so với electron trong một con chip. Điều này có nghĩa là các máy tính sẽ nhanh hơn 20 lần, một mức gia tăng về tốc độ mà chúng ta phải mất đến 15 năm mới đạt được với công nghệ hiện tại.


Mô hình một transistor ánh sáng của Đại học Oldenburg, Đức.

Mô hình một transistor ánh sáng của Đại học Oldenburg, Đức.

Các nhà khoa học đã cho thấy sự tiến bộ khi tạo ra những con chip ánh sáng trong những năm gần đây. Nhưng vẫn còn một thách thức quan trọng khác của loại chip này, đó là phải đảm bảo các con chip ánh sáng đó có thể hoạt động với tất cả các thiết bị điện tử hiện tại. Nếu chúng ta có thể hình dung về cách làm việc đó như thế nào – hay thậm chí chỉ cần sử dụng các transitor ánh sáng đó cho việc cải thiện những thiết bị điện tử hiện tại – chúng ta sẽ thấy được sự cải thiện đáng kể về hiệu suất.

Vậy khi nào ta có thể “trên tay” một chiếc smartphone hay laptop chạy bằng chip ánh sáng?

Chúng ta vẫn còn một khoảng cách khá xa cho tới khi thiết bị tiêu dùng đầu tiên ra mắt trên thị trường. Nếu bạn còn nhớ, chiếc bóng bán dẫn đầu tiên được làm từ các ống chân không vào năm 1907, với chiều cao thường từ một đến 6 inch (khoảng 100mm).


Chíp bán dẫn đầu tiên phát minh vào năm 1947.

Chíp bán dẫn đầu tiên phát minh vào năm 1947.

Mãi đến năm 1947, loại bóng bán dẫn hiện tại mới được phát minh ra và nó có chiều dài đến 40 micromet (gấp khoảng 4.000 lần so với con chip hiện tại). Và phải đến năm 1971, bộ vi xử lý thương mại đầu tiên – chíp Intel 4004 – với kích thước lớn gấp 1.000 lần con chip hiện nay, mới được ra mắt.

Các nỗ lực nghiên cứu rộng khắp và sự tiến hóa tất yếu trong ngành công nghiệp điện tử chỉ mới bắt đầu trong ngành công nghiệp ánh sáng. Điều đó có nghĩa là cho dù hiện tại, các thiết bị điện tử có thể thực hiện các tác vụ phức tạp hơn nhiều so với những thiết bị ánh sáng tốt nhất, nhưng khi việc nghiên cứu tiến bộ hơn, năng lực của các thiết bị ánh sáng sẽ bắt kịp, và cuối cùng là vượt qua tốc độ của các thiết bị điện tử. Dù đó sẽ là một chặng đường dài để làm được điều đó, nhưng tương lai của thiết bị ánh sáng sẽ rất tươi sáng.

Theo Quartz

Bình luận

NỔI BẬT TRANG CHỦ