Con chip thay đổi thế giới

Bên trong nhà máy TSMC. Ảnh: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co Ltd

Chip bán dẫn, còn gọi là mạch tích hợp (integrated circuit), là một trong những phát minh quan trọng nhất của thế kỷ 20. The New York Times ví sự thay đổi mà nó mang lại cho thế giới tương đương một cuộc cách mạng công nghiệp, góp công đầu tiên và lớn nhất trong việc mở ra thời đại kỹ thuật số. Hàng tỉ con chip đang làm việc không mệt mỏi bên trong hầu như tất cả những thứ mà ta nhìn thấy hằng ngày, từ phức tạp như máy bay đến giản đơn như chiếc máy in văn phòng.

"Không có chip thì không có máy nghe nhạc iPod, không đó điện thoại Blackberry, không có laptop và cũng chẳng có Trạm vũ trụ quốc tế ISS. Sẽ không có Apple, Intel, Samsung, Nokia, Microsoft hay Google, không có Thung lũng Silicon, không có ngành công nghiệp bán dẫn trị giá hàng tỉ USD. Và sẽ không có Internet" - nhà báo Saswato R. Das viết trên The New York Times năm 2008, nhân kỷ niệm 50 năm chip ra đời. Danh sách những thứ có "bộ não" là chip ngày nay tất nhiên đã dài ra hơn rất nhiều.

Kỳ nghỉ hè thay dòng lịch sử

Vào thời điểm kỹ sư Jack Kilby phát minh ra mạch tích hợp tại Công ty Texas Instruments ngày 12-9-1958, các thiết bị điện tử vẫn chủ yếu dựa vào công nghệ bóng chân không được phát minh từ khoảng một thập niên trước đó. 

Đỉnh cao của công nghệ bóng chân không là chiếc máy tính kỹ thuật số đầu tiên ENIAC - được chế tạo vào năm 1946. ENIAC là một cỗ máy khổng lồ nặng hơn 30 tấn, cao hơn 3 mét và chứa khoảng 100.000 bộ phận, trong đó có 18.000 bóng chân không. Nó tiêu thụ lượng điện năng khổng lồ lên đến 200kWh - người ta truyền tai nhau rằng khi ENIAC khởi động, tất cả bóng đèn ở bờ tây thành phố Philadelphia đều trở nên leo lét. Một nhược điểm lớn của thiết bị này là cứ vài ngày lại có một ống chân không bị hỏng và phải thay, khiến chi phí vận hành trở nên vô cùng tốn kém.

Đến giữa những năm 1950, các nhà khoa học tại phòng thí nghiệm Bell Labs của Công ty viễn thông AT&T nhận thấy khuyết điểm quá lớn đó của bóng chân không và thành lập một nhóm nghiên cứu để tìm kiếm công nghệ thay thế. Mục tiêu là tạo ra một linh kiện với chức năng tương tự nhưng không phụ thuộc môi trường chân không, không cần dây tóc và không có bộ phận chuyển động.

Nhóm nghiên cứu đánh cược hy vọng của họ vào chất bán dẫn - một loại vật liệu còn mới mẻ ở thời điểm đó mà các tính chất vật lý của chúng chỉ mới bắt đầu được giới khoa học hiểu rõ hơn. Transistor ra đời và cải thiện đáng kể năng lượng cần thiết để vận hành các mạch điện tử, nhưng một bảng mạch vẫn phải được tạo thành từ các transistor riêng lẻ cùng các thành phần như điện trở và tụ điện được nối với nhau bằng dây dẫn và hợp kim hàn. Một liên kết duy nhất bị lỗi cũng đồng nghĩa cả mạch không thể hoạt động.

Ý tưởng mang tính cách mạng của Kilby - mà sau này trở thành hình mẫu của chip bán dẫn - là tạo ra tất cả các thành phần khác nhau của một mạch điện tử từ cùng một khối vật liệu bán dẫn. Điều này không chỉ giúp loại bỏ dây nhợ, giảm lỗi vặt mà còn khiến cho mạch trở nên gọn gàng hơn rất nhiều. 

Trong khi hầu hết đồng nghiệp tại Texas Instruments đi nghỉ mát vào mùa hè năm 1958, Kilby ở lại phòng lab để tìm hướng hiện thực hóa ý tưởng của mình: ông tìm cách kết hợp một bóng bán dẫn, tụ điện và 3 điện trở trên một khối duy nhất làm bằng germani. Ngày 12-9, ông giới thiệu với cấp trên mô hình "mạch tích hợp" đầu tiên - dài hơn 1cm và còn rất thô sơ với các thành phần lởm chởm trông như những con côn trùng được dán lên một tấm kính. Mô hình này hoạt động hoàn hảo.

Sáu tháng sau tại California, một kỹ sư người Mỹ khác là Robert Noyce cũng độc lập công bố ý tưởng chế tạo mạch tích hợp. Noyce sử dụng thủy tinh làm vật liệu cách điện và dùng nhôm kết nối các transistor làm bằng silicon. Chip của Noyce phù hợp hơn cho sản xuất số lượng lớn. Với sáng chế của mình, không lâu sau ông trở thành người đồng sáng lập Tập đoàn Intel - ngày nay là một trong những nhà sản xuất chip bán dẫn hàng đầu thế giới. 

"Kilby là người tạo ra con chip đầu tiên, nhưng hướng tiếp cận của Noyce cho thế giới thấy cách ứng dụng nó vào thực tiễn" - người đồng sáng lập Intel Gordon Moore trả lời Hãng thông tấn AP.

Con tem do Marshall Islands phát hành với chân dung kỹ sư Jack Kilby và mạch tích hợp đầu tiên do ông sáng chế.

Phát triển cấp số nhân

Một cuộc cách mạng bắt đầu. Máy tính sử dụng chip bán dẫn đầu tiên trên thế giới thuộc sở hữu của Không quân Hoa Kỳ, được chế tạo vào năm 1961. Tiềm năng của mạch tích hợp được cụ thể hóa khi Texas Instruments công bố chiếc máy tính toán bỏ túi Cal Tech vào năm 1967, phá vỡ định kiến trước đây về những thiết bị cồng kềnh cần cắm điện mới hoạt động được.

Cal Tech đủ nhỏ để cầm gọn trong lòng bàn tay, có một con chip bên trong và chỉ cần pin để cung cấp năng lượng. Từ đó về sau là giai đoạn phát triển thần tốc của kỹ thuật số. Cơ quan Hàng không vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) sử dụng chip trong các tên lửa Apollo thực thi sứ mệnh đưa con người lên Mặt trăng, và các công ty sản xuất máy tính cũng sớm nhảy vào cuộc chơi chip bán dẫn. "Một bit trở thành 4, 4 thành 16, rồi 16 thành 64. Cứ thế mà bắt đầu quá trình thu nhỏ và tích hợp, thu nhỏ và tích hợp lặp đi lặp lại vẫn tiếp diễn mạnh mẽ cho đến ngày nay. Sự kéo giảm chi phí không ngừng này tạo ra một thị trường mới từ con số không" - báo Wall Street Journal nhận xét.

Định luật Moore nổi tiếng phát biểu rằng sức mạnh xử lý của một con chip sẽ tăng gấp đôi sau mỗi 2 năm, trong khi giá thành giảm một nửa. Dự đoán được người đồng sáng lập Intel Gordon Moore đưa ra năm 1960 đã giữ nguyên tính đúng đắn trong hơn nửa thế kỷ, dù tốc độ phát triển của chip đã có phần chững lại trong những năm gần đây.

Năm 1969, một con chip được bán với giá tính trên mỗi bit là 1 USD. Ngày nay, chiếc điện thoại iPhone sử dụng chip với khả năng xử lý gấp hàng tỉ lần chỉ có giá vài picocent (1 picocent = 0,000000000001 cent) trên mỗi bit. "Nếu ngành công nghiệp ôtô cũng phát triển nhanh chóng như ngành công nghiệp bán dẫn, một chiếc Rolls Royce sẽ đi được nửa triệu dặm (gần 805.000km) chỉ với một gallon (hơn 4,5 lít) nhiên liệu, và đi đến đâu bỏ xe luôn ở đấy sẽ còn rẻ hơn chi phí đỗ xe" - Moore từng có lần ví von, theo The New York Times.

Cây bút Andy Kessler của tờ Wall Street Journal gọi chip bán dẫn là "phát minh vĩ đại nhất kể từ khi con người biết dùng lửa và đi đường ống nước trong nhà". "Ta sẽ không thể nhận ra thế giới này nếu không có chip bán dẫn. Chúng bẻ cong đường đi của lịch sử, ảnh hưởng đến kinh tế, chính phủ và sự hưng thịnh của loài người nói chung" - Kessler viết.

Thật vậy, năng suất được giải phóng từ sức mạnh tính toán của những con chip làm từ silicon đã biến đổi mọi thứ trên đường đi của nó: bán lẻ, âm nhạc, tài chính, quảng cáo, du lịch, sản xuất, chăm sóc sức khỏe, năng lượng… "Thật khó tìm ra một thứ gì không bị phát minh của Kilby làm cho thay đổi" - Kessler nhận xét.

Số lượng transitor trên vi mạch qua các thời kỳ. Ảnh: computerhistory.org

Chip nay đã khác chip xưa

Thuật ngữ "vật liệu bán dẫn" dùng để chỉ một vật liệu - chẳng hạn silicon - có thể dẫn điện tốt hơn so với chất cách điện như thủy tinh nhưng lại không tốt bằng các chất dẫn điện như đồng hoặc nhôm. Chip chính là ứng dụng phổ biến nhất của vật liệu bán dẫn.

Chip bán dẫn thường được làm từ các lát silicon mỏng và sử dụng các transistor như "công tắc" để kiểm soát dòng điện. Nhờ chip bán dẫn mà các thiết bị điện tử có thể xử lý, lưu trữ và tiếp nhận thông tin: chip bộ nhớ lưu trữ dữ liệu và phần mềm dưới dạng mã nhị phân, chip kỹ thuật số thao tác với dữ liệu dựa trên chỉ dẫn từ phần mềm điều khiển, còn chip không dây nhận dữ liệu từ máy phát vô tuyến tần số cao rồi chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện. Tựu trung chúng đều hoạt động bằng cách "bật" hoặc "tắt" các transistor điều khiển dòng điện.

Để tạo ra một con chip bán dẫn, người ta bắt đầu với một lát mỏng silicon được gọi là wafer có kích thước khoảng bằng chiếc đĩa ăn. Nhà sản xuất thêm các nguyên tố như phôtpho và bor vào một lớp mỏng trên bề mặt silicon để tăng độ dẫn điện của chip. Chính trong lớp phủ bề mặt này là nơi các transistor được tạo thành bằng cách lần lượt thêm các lớp mỏng kim loại dẫn điện, chất cách điện và nhiều silicon hơn, sau đó loại bỏ các lớp này một cách có chọn lọc bằng plasma. Quy trình này tương tự như đắp tất cả nguyên liệu thành một khối thô rồi đẽo gọt các chi tiết cho ra tác phẩm điêu khắc hoàn chỉnh - việc này dễ hơn là cố gắng vẽ các chi tiết có kích thước siêu nhỏ trực tiếp lên chip. Bằng cách này, các nhà sản xuất chip bán dẫn có thể tạo ra những con chip chứa hàng chục tỉ transistor trên mỗi inch vuông.

Công nghệ sản xuất chip ngày nay đã tiến bộ nhiều so với nguyên mẫu thô sơ của Kilby, nhưng quan trọng nhất có lẽ là sự gia tăng theo cấp số nhân số lượng transistor có trên mỗi con chip. Ứng dụng thương mại sớm nhất của chip bán dẫn là máy tính toán bỏ túi được phổ biến rộng rãi vào những năm 1970. Những con chip đời đầu trong các thiết bị này chỉ chứa vài nghìn transistor. Năm 1989, Intel trình làng chip bán dẫn đầu tiên thế giới vượt mốc 1 triệu transistor. Ngày nay, những con chip mạnh mẽ nhất có thể chứa hơn 100 tỉ transistor, và con số này sẽ còn tiếp tục tăng.

Jack Kilby kiểm tra một tấm wafer 300mm. Ảnh: Texas Instruments

Vượt qua ngưỡng tới hạn

Những năm gần đây, giới công nghệ nói nhiều về sự lỗi thời của định luật Moore khi việc tiếp tục thu nhỏ kích thước transistor dường như là nhiệm vụ bất khả thi do các giới hạn của vật lý. Intel và Samsung đang sản xuất chip chứa các thành phần kích thước chỉ 7 nanomet, trong khi bán kính nguyên tử silicon là 0,2 nanomet. Kích thước nguyên tử và tốc độ ánh sáng là hai giới hạn cứng mà con người dù ao ước vẫn chưa thể vượt qua được.

Một giải pháp là thay thế các lớp phẳng 2D bằng công nghệ 3D với thiết kế hình vây cá giúp tăng số lượng transistor có thể nhét vừa trên một con chip, nhưng cấu trúc này khó sản xuất hơn rất nhiều so với chip truyền thống.

Một hy vọng khác là điện toán lượng tử không bị giới hạn bởi bit nhị phân (0 và 1), mà thay vào đó sử dụng bit lượng tử (qubit) dựa trên lý thuyết cơ học lượng tử của Schrödinger. Máy tính lượng tử hoạt động rất nhanh nhưng chỉ có thể vận hành ở nhiệt độ xấp xỉ 0oK (khoảng - 273oC), không khả dĩ để ứng dụng thực tiễn trong các thiết bị hằng ngày như điện thoại thông minh hay tivi. Điện toán sinh học là một lĩnh vực hấp dẫn khác, với một số nghiên cứu đang tìm hướng tạo ra chip có khả năng mô phỏng cách ADN lưu trữ thông tin.

Dù là cách nào đi nữa thì nhân loại cũng đang rất cần một chất xúc tác mới cho cuộc cách mạng công nghệ tiếp theo. "Hãy cùng hy vọng truyền nhân của Jack Kilby đã bỏ qua kỳ nghỉ hè lần này" - Kessler viết dí dỏm.■

GH100, dòng chip chuyên cho các trung tâm dữ liệu của NVIDIA, có 80 tỉ transistor. Ảnh: NVIDIA