Để Tăng Cường Sức Mạnh Cho Những Vi Mạch Này, IBM Đang Phát Triển Chiều Cao

Hiện nay có thể có thiếu hụt vi mạch máy tính, nhưng có vẻ như các nhà sản xuất vi mạch sẽ tiếp tục tận dụng sức mạnh từ chúng trong một khoảng thời gian.

Các nhà nghiên cứu tại IBM đã thể hiện một cách để ép nhiều bóng bán dẫn hơn lên một vi mạch, một kỹ tích của sự thu nhỏ tới mức vi nano có thể cải thiện đáng kể tốc độ và hiệu suất của các thiết bị điện tử trong tương lai.

Kỹ thuật kỳ diệu này cũng có thể giúp Hoa Kỳ lấy lại một số lợi thế khi nói đến việc sản xuất những vi mạch tiên tiến nhất thế giới, điều đã trở thành trung tâm của địa chính trị, cạnh tranh kinh tế và an ninh quốc gia. Vi mạch là quan trọng đối với một loạt các sản phẩm, và việc tiếp cận vi mạch nhanh hơn, tiên tiến hơn có thể thúc đẩy tiến triển trong các lĩnh vực quan trọng bao gồm trí tuệ nhân tạo, 5G và công nghệ sinh học.

IBM cho biết 50 tỷ bóng bán dẫn mới—những công tắc điện tử cho phép vi mạch thực hiện các phép toán logic và lưu trữ dữ liệu—có thể chứa trên một vi mạch có kích thước như móng tay, nhiều hơn hai phần ba so với những gì có thể được thực hiện bằng quy trình trước đó. Họ cho biết vi mạch này có thể giúp điện thoại thông minh hoặc laptop chạy nhanh hơn 45% hoặc chỉ tiêu thụ một phần tư năng lượng so với thiết kế tốt nhất trước đây.

“Đây là một công nghệ vô cùng hứng thú,” nói Jesús del Alamo, một giáo sư tại MIT chuyên về các công nghệ transistor mới. “Đây là một thiết kế hoàn toàn mới đẩy mạnh lộ trình cho tương lai.”

Việc tạo ra bóng bán dẫn mới này không chỉ đơn giản là etsing các đặc điểm của một vi mạch vào silic, mà còn xây dựng chúng lên trên nhau. Những người sản xuất vi mạch bắt đầu tạo ra bóng bán dẫn theo ba chiều vào năm 2009 bằng cách sử dụng một thiết kế gọi là FinFET, trong đó các electron chảy qua các lá mảnh thẳng đứng—thay vì một bề mặt phẳng—để đi qua các bóng bán dẫn. Thiết kế của IBM đưa điều này xa hơn, xếp chồng các bóng bán dẫn lên trên nhau dưới dạng tờ mỏng nano chạy qua một vật liệu bán dẫn giống như lớp trong một chiếc bánh.

Dario Gil, Phó Chủ tịch cao cấp và Giám đốc Trung tâm nghiên cứu IBM, cho biết việc tạo ra các bóng bán dẫn đòi hỏi sự đổi mới ở các giai đoạn khác nhau của quá trình sản xuất. Công việc này đến từ phòng thí nghiệm nghiên cứu của IBM tại Albany, New York, nơi IBM hợp tác với Đại học Bang New York cũng như các công ty sản xuất vi mạch hàng đầu.

IBM đã bán mảng kinh doanh sản xuất vi mạch của mình vào năm 2014, nhưng vẫn tiếp tục đầu tư vào nghiên cứu về vật liệu, thiết kế và kỹ thuật sản xuất vi mạch thế hệ tiếp theo. Công ty dự định kiếm tiền thông qua việc cấp phép công nghệ cho các nhà sản xuất vi mạch.

Trong nhiều thập kỷ, người sản xuất vi mạch đã tập trung vào việc làm nhỏ kích thước các thành phần để đạt được hiệu suất cao hơn từ vi mạch. Quy mô nhỏ hơn cho phép đóng gói thêm các thành phần lên một vi mạch, cải thiện hiệu suất và tốc độ, nhưng mỗi thế hệ mới đều đòi hỏi kỹ thuật kỳ diệu để hoàn thiện.

Những vi mạch máy tính tiên tiến nhất hiện nay được tạo ra bằng một quy trình liên quan đến việc etsing các đặc điểm vào silic bằng kỹ thuật chiếu sáng siêu tia cực đỏ cực ngắn (EUV), tạo ra các đặc điểm nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng nhìn thấy được. Quy trình này được gọi là “7 nanometer,” nhưng nó không còn áp dụng đến kích thước của các thành phần nữa; thay vào đó, nó phản ánh thế hệ của công nghệ được sử dụng, do sự xếp chồng các bóng bán dẫn và những thay đổi khác trong sản xuất vi mạch. Vi mạch mới của IBM tiến xa ba thế hệ, sử dụng một quy trình được gọi là 2 nanometers.

IBM đã đầu tiên thử nghiệm các bóng bán dẫn được tạo ra theo cách này vào năm 2017 với quy mô quy trình 5 nanometers. Việc mất bốn năm để chuyển sang 2 nanometers cho thấy thách thức của việc làm chủ các kỹ thuật liên quan. Các công ty sản xuất vi mạch tiên tiến nhất thế giới đã bắt đầu sản xuất vi mạch 5 nanometers bằng các phương pháp hiện tại, dường như đang đến gần giới hạn của chúng.

Dan Hutcheson, Giám đốc điều hành của VLSI Research, một công ty phân tích, nói rằng việc chế tạo các thành phần 3D không thể phủ nhận đòi hỏi các chiêu thức sản xuất mới. Nhưng “họ đã hoàn thành phần khó khăn nhất. Điều này là một cột mốc thực sự cho ngành công nghiệp,” ông nói, thêm rằng những cải tiến về hiệu suất được quảng bá bởi IBM dường như là thận trọng.

Tiến bộ trong sản xuất vi mạch được nắm bắt nổi tiếng nhất qua định luật Moore, một quy tắc thôi thúc được đặt tên theo ông Gordon Moore, người sáng lập Intel, quy định rằng số bóng bán dẫn trên một vi mạch sẽ gấp đôi khoảng mỗi hai năm. Các chuyên gia công nghệ đã lo ngại về sự kết thúc của định luật Moore trong một thập kỷ trở lên, khi những người sản xuất vi mạch đẩy giới hạn của công nghệ sản xuất và các hiệu ứng điện tử mới.

Đối mặt với những thách thức kỹ thuật trong việc sản xuất các thế hệ mới của vi mạch có thể mang lại tầm quan trọng. Intel, trước đây là nhà sản xuất vi mạch tiên tiến nhất thế giới và vẫn là nhà sản xuất phức tạp nhất ở Mỹ, đã tụt lại sau TSMC ở Đài Loan và Samsung ở Hàn Quốc trong những năm gần đây, sau những khó khăn trong việc làm chủ việc sử dụng EUV trong sản xuất.

Hoa Kỳ đã sử dụng các biện pháp trừng phạt để nhắm vào Trung Quốc về các vấn đề an ninh mạng và thương mại. Các biện pháp trừng phạt đã ngăn chặn các công ty công nghệ như Huawei từ việc mua các vi mạch mới nhất, một động thái đã được báo cáo là đã khiến công ty xem xét khả năng bán mảng kinh doanh điện thoại thông minh của mình.

“Điều này là một tín hiệu quan trọng cho thấy Hoa Kỳ không chỉ không kém cạnh, mà ở một số trường hợp thậm chí là vượt lên phía trước,” Hutcheson nói. “Nhóm nghiên cứu của IBM tại Albany thực sự đã là một trong những trung tâm tốt nhất cho loại nghiên cứu này trong suốt 10 năm qua.”

Vào tháng 3, CEO mới của Intel, Pat Gelsinger, đã công bố kế hoạch phục hồi, bao gồm một thỏa thuận hợp tác với IBM trong lĩnh vực nghiên cứu. Intel từ chối bình luận về thông báo của IBM.

Những sự kiện gần đây đã làm rõ sự quan trọng ngày càng tăng của vi mạch silic trong nền kinh tế toàn cầu. Các sóng chấn kinh tế do đại dịch, kết hợp với sự gián đoạn trong chuỗi cung ứng, việc tích trữ hàng tồn kho do các biện pháp trừng phạt vi mạch của Mỹ và nhu cầu tăng cao cho các vi mạch cắt lớp trong các sản phẩm đã dẫn đến tình trạng thiếu hụt ở nhiều ngành công nghiệp. Các nhà sản xuất ô tô, người mong đợi nhu cầu cho xe mới giảm trong đại dịch, đã bị ảnh hưởng nặng nề, nhiều công ty phải đóng cửa nhà máy trong khi chờ đợi cung ứng vi mạch.

Del Alamo tại MIT nói rằng có lẽ sẽ mất vài năm cho các nhà sản xuất vi mạch để làm chủ những mẹo mà IBM sử dụng để tạo ra các bóng bán dẫn mới. Cả Samsung và TSMC, những nhà sản xuất vi mạch hàng đầu thế giới cùng với Intel, đã tín hiệu ý định sử dụng bóng bán dẫn tờ nano, nhưng chưa thực hiện trong sản xuất.

Nhưng del Alamo tin rằng phương pháp mới cho thấy rằng định luật Moore có thể tiếp tục phát triển. “Định luật Moore còn nhiều sức sống, và kiến trúc của IBM này cho thấy hướng đi phía trước,” ông nói. “Nó sẽ đưa ra những thách thức sản xuất rất nghiêm trọng và một đường cong học tập, nhưng khi chúng ta vượt qua bước khó khăn ban đầu này, chúng ta sẽ tiến triển trong vài thế hệ.”

• 📩 Nhận những thông tin mới nhất về công nghệ, khoa học, và nhiều hơn nữa: Đăng ký nhận bản tin của chúng tôi!
• Khi ông chủ của tất cả các ứng dụng hẹn hò gặp đại dịch
• Phục vụ thức ăn từ những nhà hàng xa xôi—ngay từ sofa của bạn
• Vi khuẩn mới tinh vi trên ISS có thể xây dựng tương lai trên sao Hỏa
• Hãy đồng ý rằng Stadia thực sự ổn
• Sức mạnh chữa lành của JavaScript
• 👁️ Khám phá trí tuệ nhân tạo như chưa bao giờ với cơ sở dữ liệu mới của chúng tôi
• 🎮 MYTOUR Games: Nhận các mẹo, đánh giá, và nhiều hơn nữa
• 📱 Lưỡng lự giữa những chiếc điện thoại mới nhất? Đừng lo lắng—xem hướng dẫn mua iPhone của chúng tôi và những chiếc điện thoại Android yêu thích