Trung Quốc cách mạng hóa ngành chất bán dẫn với chip mới có tốc độ vượt trội 1,4 lần so với Intel và tiết kiệm điện năng hơn 10%

Điểm nổi bật của chip bán dẫn mới này là việc Trung Quốc không sử dụng silicon truyền thống, mở ra hướng đi đột phá trong công nghệ.

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Bắc Kinh đã công bố một bước tiến lớn trong lĩnh vực chip, có tiềm năng thay đổi cuộc chơi toàn cầu về bán dẫn. Họ đã thành công trong việc phát triển transistor 2D sử dụng bismuth thay thế silicon, đánh dấu một kỷ nguyên mới cho ngành công nghiệp này.

Theo thông báo chính thức từ Đại học Bắc Kinh, transistor mới này có tốc độ nhanh hơn 40% so với chip silicon 3-nanomet tiên tiến nhất của Intel và TSMC, đồng thời tiêu thụ ít hơn 10% năng lượng. "Đây là transistor nhanh và hiệu quả nhất từ trước đến nay," thông báo khẳng định.

Giáo sư Peng Hailin, người đứng đầu nhóm nghiên cứu, tin rằng phương pháp tiếp cận của họ đại diện cho một sự thay đổi căn bản trong công nghệ bán dẫn. "Nếu các cải tiến chip dựa trên vật liệu hiện có được xem là 'đường tắt', thì việc chúng tôi phát triển transistor dựa trên vật liệu 2D giống như việc 'đổi làn đường' hoàn toàn," Giáo sư Peng chia sẻ.

Đột phá của nhóm nghiên cứu Trung Quốc tập trung vào transistor gốc bismuth, vượt trội hơn các chip thương mại tiên tiến nhất từ Intel, TSMC, Samsung và Trung tâm Vi điện tử Liên trường đại học của Bỉ. Khác với transistor silicon truyền thống - vốn gặp hạn chế về thu nhỏ kích thước và hiệu quả năng lượng ở quy mô nano - thiết kế mới này mang lại giải pháp không có những hạn chế đó.

Giáo sư Peng cho biết, dù các lệnh trừng phạt do Mỹ dẫn đầu đã hạn chế khả năng tiếp cận của Trung Quốc với công nghệ transistor silicon tiên tiến, chúng cũng thúc đẩy các nhà nghiên cứu nước này tìm kiếm giải pháp thay thế. "Con đường này xuất phát từ sự cần thiết do các lệnh trừng phạt, nhưng nó cũng buộc chúng tôi phải tìm kiếm giải pháp từ những góc nhìn mới," ông nhấn mạnh.

Nghiên cứu mô tả cách nhóm phát triển transistor hiệu ứng trường cổng xung quanh (GAAFET) sử dụng vật liệu bismuth. Thiết kế này khác biệt đáng kể so với cấu trúc Transistor Hiệu ứng Trường Fin (FinFET), vốn là tiêu chuẩn công nghiệp kể từ khi Intel thương mại hóa nó vào năm 2011.

Những hạn chế của chip silicon ngày càng rõ rệt khi ngành công nghiệp cố gắng vượt qua mật độ tích hợp 3 nanomet. Cấu trúc GAAFET mới loại bỏ nhu cầu về "fin" trong thiết kế FinFET, tăng diện tích tiếp xúc giữa cổng và kênh. Các nhà nghiên cứu so sánh sự thay đổi này với việc chuyển từ tòa nhà cao tầng sang cầu nối, giúp điện tử di chuyển dễ dàng hơn.

Để nâng cao hiệu suất, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang sử dụng vật liệu bán dẫn 2D. Những vật liệu này có độ dày nguyên tử đồng nhất và tính linh động cao hơn silicon, trở thành lựa chọn tiềm năng cho chip thế hệ tiếp theo. Tuy nhiên, các nỗ lực trước đây để ứng dụng vật liệu 2D trong transistor đã gặp phải thách thức về cấu trúc, hạn chế hiệu quả của chúng.

Nhóm nghiên cứu Đại học Bắc Kinh đã vượt qua những trở ngại này bằng cách phát triển vật liệu gốc bismuth, cụ thể là Bi2O2Se và Bi2SeO5, lần lượt đóng vai trò là vật liệu bán dẫn và vật liệu oxit điện môi cao. Hằng số điện môi cao của chúng giúp giảm thất thoát năng lượng, giảm yêu cầu điện áp và tăng cường hiệu suất tính toán, đồng thời tiết kiệm năng lượng.

Các nhà nghiên cứu đã chế tạo transistor thực nghiệm bằng nền tảng xử lý chính xác cao tại Đại học Bắc Kinh. Kết quả được xác nhận thông qua tính toán lý thuyết hàm mật độ (DFT), cho thấy giao diện vật liệu Bi2O2Se/Bi2SeO5 có ít khuyết tật hơn và dòng điện tử mượt mà hơn so với các giao diện bán dẫn-oxit hiện có.

"Điều này giúp giảm thiểu sự tán xạ điện tử và thất thoát dòng điện, cho phép điện tử di chuyển gần như không gặp điện trở, tương tự như nước chảy qua một đường ống trơn nhẵn," Giáo sư Peng giải thích.

Với transistor dựa trên công nghệ mới có khả năng hoạt động nhanh hơn 1,4 lần so với chip silicon tiên tiến nhất, trong khi chỉ tiêu thụ 90% năng lượng, nhóm nghiên cứu Đại học Bắc Kinh đang tập trung mở rộng quy mô sản xuất. Họ đã xây dựng các đơn vị logic nhỏ sử dụng transistor mới, thể hiện khả năng tăng điện áp cao ở mức điện áp hoạt động cực thấp.

"Nghiên cứu này chứng minh rằng GAAFET 2D thực sự mang lại hiệu suất và hiệu quả năng lượng tương đương với transistor silicon thương mại, khiến chúng trở thành ứng cử viên tiềm năng cho công nghệ tiếp theo," Peng viết trong bài báo nghiên cứu.

Đột phá này có thể trở thành bước ngoặt lớn cho ngành bán dẫn Trung Quốc, vốn đang đối mặt với các lệnh trừng phạt quốc tế và hạn chế tiếp cận công nghệ chip tiên tiến. Thay vì cố gắng bắt kịp cuộc đua thu nhỏ chip silicon, các nhà nghiên cứu Trung Quốc đang mở ra một hướng đi công nghệ hoàn toàn mới, giúp vượt qua những thách thức của ngành sản xuất chip truyền thống.

Nếu công nghệ này được thương mại hóa thành công, nó không chỉ thay đổi vị thế của Trung Quốc trong ngành bán dẫn toàn cầu mà còn có thể mở ra một kỷ nguyên mới trong thiết kế chip, nơi silicon không còn là vật liệu chính cho các bộ xử lý tiên tiến.

Nguyễn Hải