Khám phá công nghệ bán dẫn mới và vũ khí tối thượng 22nm của Intel

Tại sự kiện diễn ra mới đây tại San Francisco, người khổng lồ Intel lại một lần nữa hâm nóng bầu không khí bằng việc đả động đến các bộ xử lý 22nm tới đây của họ, theo dự kiến sẽ sử dụng thiết kế transistor (bóng bán dẫn) mới được hãng thai nghén trong suốt hơn một thập kỉ.

 

Với những thông cáo đầu tiên về bản thiết kế vào năm 2002, cả giới công nghệ háo hức chờ đợi một bước nhảy vọt mới của công nghệ xử lý. Qua hơn 10 năm phát triển với hàng loạt các thông cáo khác liên tục được đưa ra, có vẻ tiến trình transistor mới này sẽ là hướng đi chủ đạo mà hãng áp dụng cho các sản phẩm trong tương lai.

 

Trong khuôn khổ bài viết này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu xem thiết kế mới này của Intel (tạm gọi là transistor cổng 3 hay transistor 3 chiều) có điểm gì ưu việt hơn thế hệ cũ. Nhưng trước tiên, hãy nhìn lại một chút về cách thức hoạt động của các transistor truyền thống.

 

 

Dựa vào mô phỏng dưới đây, chúng ta có thể thấy rằng các transistor 2 chiều truyền thống – nền móng đầu tiên của vi mạch – bao gồm 3 phần chính: source (nguồn), drain (dẫn) và gate (cổng).

 

 

(Thực ra đây không phải cấu tạo chung của transistor mà của một loại riêng là MOSFET, nhưng chúng ta không đi sâu vào phần này).

 

Nhìn qua có vẻ cực kì phức tạp, nhưng bản chất của nó chẳng qua giống như một công tắc điện. Hãy coi source và drain là 2 lỗ cắm trong các ổ điện gia đình. Khi bạn cắm một thứ gì đó dẫn điện vào cả 2 lỗ (chiếc kéo chẳng hạn), bạn đã đóng kín mạch và xuất hiện dòng điện chạy qua. Ngoài ra còn có cảm giác tê tái rất “phê” và mùi thịt cháy nếu không rút ra kịp thời (đây chỉ là ví dụ, chúng tôi khuyến cáo độc giả không nên thử). Chiếc kéo chính là gate – một công tắc đóng và mở mạch – tức quyết định transistor có dẫn điện hay không (nên mới gọi là bóng bán dẫn).

 

Khi một điện áp được cấp vào gate, một miếng bán dẫn nhỏ giữa source và drain chuyển từ cách điện thành dẫn điện (tương đương việc cắm kéo vào ổ điện) dẫn đến việc xuất hiện dòng chạy từ source đến drain. Khi ngừng cấp điện áp này, dòng điện sẽ biến mất – hoặc lẽ ra chúng phải biến mất. Thực tế vẫn có một  dòng điện có cường độ cực nhỏ chạy qua source và drain. Đó gọi là dòng rò – gây lãng phí điện năng, tỉ lệ với số lượng transistor – tức tỉ lệ với sức mạnh của thiết bị.

 

Nói tóm lại, ý tưởng cơ bản chế tạo một transistor là sử dụng miếng bán dẫn đặt giữa 2 điện cực – có tính chất cách điện ở điều kiện bình thường, và dẫn điện khi được cấp điện áp đủ lớn.

 

Kết thúc phần giải thích về kéo và ổ điện, có lẽ chúng ta nên sử dụng hình minh họa khác... ít chữ hơn cho dễ nhìn.

 

 

Chúng ta đều biết, sự phát triển của công nghệ phần cứng đi liền với sự phát triển (nhỏ dần) của tiến trình sản xuất transistor (45nm, 32nm, 22nm...). Bằng việc thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn, các hãng sản xuất như Intel và AMD có thể "nhồi" nhiều transistor hơn trên cùng một kích thước đế, nhờ đó các bộ xử lý mạnh mẽ hơn ra đời và đến tay người tiêu dùng (tất nhiên còn nhờ vào sự ưu việt của các kiến trúc mới nhưng chúng ta không bàn đến trong khuôn khổ bài viết này).

 

Vấn đề là: Transistor càng nhỏ thì kích thước miếng bán dẫn (màu xanh da trời trên hình) cũng giảm theo, và dòng điện chạy qua nó có cường độ càng thấp. Đến một kích thước nào đó đủ nhỏ, khi giá trị dòng hoạt động tiến sát đến dòng rò, sẽ không còn phân biệt được chế độ tắt- bật của transistor nữa. Đó sẽ là một thảm họa bởi tắt-bật transistor là cách chip xử lý sử dụng để thể hiện bit giữa 0 và 1.

 

Có 2 cách cơ bản để khắc phục vấn đề này: 1 – giảm dòng rò và 2 – tăng dòng electron chạy qua miếng bán dẫn. Trên thực tế, con chip mới của Intel áp dụng cả 2 phương pháp trên. Chúng ta hãy chỉ nói về phương pháp thứ 2, bởi nó chính là nguyên nhân dẫn đến điều chúng ta đang nói tới: thay đổi thiết kế transistor.

 

Muốn tăng dòng electron chạy qua, lại có 2 phương án. Thứ nhất là “chích” thêm điện ápđặt lên gate nhằm tăng độ dẫn điện của miếng bán dẫn. Cách này nghe rất hay nhưng... không khả quan, bởi nó đồng nghĩa với điện năng tiêu thụ tăng đột biến.

 

Cách thứ 2 – cách mà Intel lựa chọn – đó là tìm cách để tăng kích thước của miếng bán dẫn lên. Phương án này rất có lợi khi mà dòng hoạt động đủ lớn mà không yêu cầu điện áp quá cao (rất lợi về điện) – có điều cực kì phức tạp vì phải thiết kết lại transistor.

 

 

 

Chỉ cần nhìn vào bức hình trên, không khó để hình dung ra mẹo mực mà Intel sử dụng: Kích thước miếng bán dẫn (xanh da trời) tăng lên rất nhiều so với các transistor truyền thống. Bằng mẹo này, con chip 22nm sắp ra mắt hứa hẹn rất nhiều lợi thế về điện năng, có nghĩa là Intel có thể dễ dàng phân cấp sản phẩm của họ: những bộ xử lý tốn ít điện hơn mà vẫn giữ được hiệu năng như cũ – hoặc giữ nguyên điện năng tiêu thụ và tăng tốc độ xử lý lên đáng kể. Ngoài PC để bàn, điều này sẽ đem lại lợi thế khủng khiếp cho Intel ở mảng thiết bị di động.

 

 

Nhắc đến điện áp, chắc hẳn các cao thủ phần cứng lập tức nghĩ ngay đến ép xung. Đây mới chính là điểm mạnh nhất của các transistor mới này đối với PC. Người dùng có thể dễ dàng chích thêm ít điện cho con chip để tăng thêm (rất nhiều) xung nhịp, hoặc giảm điện áp để tiết kiệm điện khi ít nhu cầu hiệu năng. Ngay cả khi không thích đụng chạm đến phần cứng, bạn vẫn sẽ được hưởng lợi ở tính năng Turbo Boost (ép xung tự động cho 1 hoặc 2 nhân khi các nhân khác “ngồi chơi"). Đối với các máy tính xách tay, thiết kế bóng bán dẫn mới này cũng sẽ giúp chuyển đổi giữa các chế độ “hiệu năng” và “tiết kiệm pin” nhanh và hiệu quả hơn rất nhiều.

 

 

Intel khẳng định các bộ xử lý 22nm ứng dụng transistor mới này của họ sẽ cho hiệu năng mạnh hơn trong tầm 18 -> 37% tùy theo điện áp so với các bộ xử lý 32nm cũ – hoặc tiết kiệm điên hơn 50% tùy nhu cầu người dùng.

 

Có thể nói đây là một bước nhảy cực lớn của Intel vượt lên trước các đối thủ khác. Không chỉ vậy, đó sẽ là mũi kiếm tiên phong đánh vào thị trường smartphone trong tương lai. Dù hiện nay ARM đang được đánh giá rất cao, nhưng mọi ván bài đều có thể lật ngược, mà Intel thì đã nắm được quân át chủ trong tay.

 

Các bộ xử lý 22nm Ivy Bridge và Atom low-power sẽ được sản xuất trên công nghệ mới này.