Chip - thành tựu khoa học vĩ đại nhất lịch sử nhân loại: Chứa hàng chục tỷ bóng bán dẫn mỏng hơn tóc người, nhỏ hơn vi khuẩn, nối với nhau bởi 500km dây dẫn siêu vi

Thu nhỏ chip máy tính là một trong những thành tựu khoa học vĩ đại nhất lịch sử nhân loại. Chính vì vậy, để hiểu được cách thức hoạt động của những con chip mới nhất với rất nhiều đột phá công nghệ, chúng ta cần phải vượt ra ngoài những thang đo quen thuộc.

Các con chip cung cấp năng lượng chứa hàng tỷ bóng bán dẫn mà mắt thường không thể thấy. Chúng mỏng hơn sợi tóc người, nhỏ hơn hồng cầu và thậm chí, không bằng kích thước vi khuẩn hay virus. Một số bóng bán dẫn nhỏ nhất hiện nay chỉ cao 50 nanomet.

Min Cao, phó chủ tịch phụ trách của Công ty Sản xuất Chất bán dẫn Đài Loan (TSMC), chưa bao giờ nghĩ rằng mình sẽ dấn thân vào lĩnh vực chip nhớ. Sau khi tốt nghiệp Đại học Stanford, tình trạng các nhà vật lý thất nghiệp đã thôi thúc ông đi theo con đường mới, với mong muốn hiểu được cách thế giới vận hành.

“Vẫn còn rất nhiều điều bí ẩn. Mọi việc ngày càng khó khăn hơn nhưng không có nghĩa là chúng tôi sẽ dừng lại”, ông Cao nói.

Theo Financial Times, hiện chỉ có ba công ty trên thế giới – Intel, Samsung và TSMC – có khả năng sản xuất hàng loạt chip đủ mạnh và nhỏ phục vụ cho các công nghệ di động tiên tiến. Với các bộ phận bóng bán dẫn đạt đến quy mô nguyên tử, các kỹ sư phải ngày càng sáng tạo để đảm bảo tiến độ, làm sao để chip được sản xuất nhanh nhất, hoạt động hiệu quả nhất.

Một số chip điện thoại thông minh mới, chẳng hạn như chip trong iPhone 15 Pro, được sản xuất thông qua quy trình “3 nanomet”. Tên gọi không chủ đích đề cập đến kích thước vật lý nhưng ám chỉ quy mô thu hẹp đáng kể của các bộ phận.

Nhiều bóng bán dẫn tiên tiến hiện nay được chế tạo theo từng nguyên tử. Một số loại nhỏ nhất có chiều cao 50nm - bật và tắt hàng tỷ lần một giây. Chỉ một milimet vuông có thể chứa 200 triệu bóng bán dẫn. Một con chip chứa hàng chục tỷ bóng bán dẫn.

Các dây kim loại siêu nhỏ giúp kết nối các bóng bán dẫn với nhau. Một số con chip có thể chứa gần 500km dây dẫn, được chế tạo trên một tấm wafer silicon. Một tấm bán dẫn thông thường với đường kính 30cm có thể chứa hàng nghìn tỷ bóng bán dẫn.

Theo Ben Sell, phó chủ tịch phát triển công nghệ Intel, hành trình đổi mới bóng bán dẫn vẫn chưa kết thúc. Doanh số bán chip toàn cầu đạt hơn 500 tỷ USD vào năm ngoái và chất bán dẫn có thể trở thành ngành công nghiệp nghìn tỷ USD vào cuối thập kỷ này.

Danh tiếng của các tập đoàn và chính phủ phụ thuộc vào việc đặt cược đúng đắn. TSMC, với giá trị vốn hóa 575 tỷ USD, hiện đang thống trị thị trường toàn cầu với những con chip tiên tiến nhỏ nhất thế giới.

Đó là điều mà chính quyền Tổng thống Joe Biden hy vọng sẽ thay đổi thông qua Đạo luật Chip, cam kết chi 52 tỷ USD để khuyến khích các công ty đặt nhà máy chế tạo trên đất Mỹ. Tuy nhiên, nhiều chuyên gia tin rằng sự xói mòn của ngành sản xuất chip nhớ trong nhiều thập kỷ khiến Mỹ khó lòng giành lại vị thế.

Trong khi đó, Trung Quốc tham gia cuộc đua với nhà sản xuất chip lớn nhất đất nước SMIC. Công ty này dự kiến sẽ sản xuất bộ xử lý điện thoại thông minh thế hệ tiếp theo vào đầu năm nay, bất chấp các lệnh hạn chế xuất khẩu đối với thiết bị chuyên dụng.

Hiện ngày càng ít công ty có thể bắt kịp cuộc đua xây dựng chip thông minh tiên tiến. Quá trình thiết kế và sản xuất cực kỳ dài, phức tạp và tốn kém, đòi hỏi kiến thức và chuyên môn hơn bao giờ hết.

Bên trong các nhà máy chế tạo chip, hơn một nghìn bước được kiểm soát nghiêm ngặt. Chris Auth, giám đốc phát triển bóng bán dẫn tiên tiến của Intel, cho biết mỗi khi một thế hệ chip mới được phát triển, toàn bộ quy trình đều cần phải được xem xét lại.

“Thế hệ chip mới đòi hỏi công cụ và quy trình mới. Những tiến bộ về bóng bán dẫn trong các chip 2nm tiếp theo đồng nghĩa với việc một số thành phần cần được chế tạo theo chiều ngang thay vì theo chiều dọc. Điều này rất thách thức”, ông Cao nói.

Các thành phần cực nhỏ cho mạch điện chip phải được tạo ra bởi những thiết bị tiên tiến. Đối với những con chip nhỏ nhất, những cỗ máy trị giá hàng triệu USD sử dụng ánh sáng cực tím để chế tạo. Chúng to bằng một chiếc xe buýt, có khả năng hướng tia laser về một quả bóng golf ở khoảng cách rất xa.

Koch cho biết, mọi giai đoạn của quá trình này đều yêu cầu “trình độ kiến thức của luận án tiến sĩ”.

Trong khi các nhà sản xuất hàng đầu đang hy vọng chip 2nm sẽ giải quyết được nhiều vấn đề của thế hệ 3nm, giới hạn của việc mở rộng quy mô khiến các kỹ sư tìm mọi cách đạt được hiệu quả. Chẳng hạn, dựa trên các thiết kế 3D hiện tại, họ xếp chồng các bóng bán dẫn lên nhau thay vì nhồi nhét cạnh nhau.

“Điều này chưa được áp dụng trong 60 năm đầu tiên của công nghệ bóng bán dẫn. Khi cạn kiệt khả năng thu nhỏ mọi thứ theo chiều ngang, bạn sẽ quay sang chiều dọc và đó là cách chúng tôi đang làm”, đại diện Intel nói.

Tuy nhiên, theo Koch của SemiAnalysis, chuyển sang thiết kế và phát triển theo chiều dọc là “một vấn đề lớn”. “Chúng ta đang chậm lại ở một hướng nhưng lại tăng tốc ở một hướng khác”, ông nói.

World Semiconductor Trade Statistics, một tổ chức thống kê ngành công nghiệp do các nhà sản xuất chip lớn thành lập, đã điều chỉnh dự báo tăng trưởng cho thị trường chip toàn cầu cao hơn so với ước tính là 11,8%. Nếu thành hiện thực, quy mô thị trường về mặt giá trị thương mại sẽ vượt kỷ lục 574,08 tỷ USD vào năm 2022.

Xét theo sản phẩm, chip nhớ sẽ dẫn đầu mức tăng trưởng chung của thị trường vào năm 2024, với doanh số dự kiến sẽ tăng 44,8% so với một năm trước đó. Thị trường chip logic được dự đoán sẽ tăng trưởng 9,6% trong khi thị trường chip cảm biến hình ảnh dự kiến sẽ tăng 1,7%.

Triển vọng lạc quan xuất hiện khi “cơn sốt” AI tạo sinh nổ lên với sự thành công của ứng dụng ChatGPT. Doanh số máy tính cá nhân và điện thoại thông minh tích cực cũng hỗ trợ nhu cầu về chất bán dẫn.

Theo: FT, Bloomberg