Phá vỡ rào cản vật lý tồn tại suốt 70 năm: Trung Quốc chế tạo thành công chip 1nm nhỏ nhất thế giới

Bằng việc phát triển thành công con chip 1nm có khả năng vận hành ở mức điện áp cực thấp, các nhà khoa học Trung Quốc đã tháo gỡ bài toán khiến ngành công nghiệp bán dẫn đau đầu suốt hơn bảy thập kỷ.

Đại học Bắc Kinh vừa công bố một cột mốc đột phá trong lĩnh vực công nghệ bán dẫn khi tạo ra transistor – thành phần cốt lõi của mọi con chip máy tính – có kích thước nhỏ nhất và mức tiêu thụ điện năng thấp nhất từng được ghi nhận, chỉ khoảng 1nm. Để dễ hình dung, 1 nanomet nhỏ đến mức mắt người hoàn toàn không thể quan sát được, thậm chí kính hiển vi quang học thông thường cũng không thể nhận diện.

Công trình nghiên cứu do hai giáo sư Qiu Chenguang và Peng Lianmao dẫn dắt đã được công bố trên tạp chí khoa học uy tín Science Advances. Thành tựu này không chỉ gây chú ý vì kích thước siêu nhỏ, mà còn bởi nó giải quyết được nút thắt kỹ thuật đã khiến ngành công nghiệp chip trăn trở suốt nhiều thập kỷ.

Thách thức chung mà các nhà khoa học trên khắp thế giới – từ Trung Quốc, Nhật Bản cho đến các quốc gia phương Tây – đều gặp phải là: dù linh kiện có thể được thu nhỏ đến kích thước cực nhỏ, nhưng để vận hành hiệu quả chúng lại cần mức điện áp rất cao, thường vượt quá 1,5V. Mức điện áp này không phù hợp với các nhân logic của chip, dẫn đến tiêu tốn năng lượng và làm chậm quá trình xử lý dữ liệu.

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Bắc Kinh đã tìm ra hướng tiếp cận đầy sáng tạo. Họ sử dụng một loại vật liệu đặc biệt mang tên ống nano carbon kim loại để chế tạo cổng điều khiển. Khi cổng này được thu nhỏ đến kích thước siêu nhỏ, nó tạo ra hiện tượng tập trung điện trường – tương tự như việc hội tụ ánh sáng qua kính lúp, khiến cường độ điện trường tại một điểm nhỏ tăng lên đáng kể.

Nhờ cơ chế này, transistor mới chỉ cần mức điện áp khoảng 0,6V để hoạt động – thấp hơn gần ba lần so với trước đây. Đây là lần đầu tiên trong lịch sử một bóng bán dẫn thuộc loại này có thể vận hành ở mức điện áp tương thích với các bộ phận xử lý chính của chip, qua đó giải quyết bài toán đánh đổi giữa kích thước siêu nhỏ và điện áp thấp mà ngành công nghiệp đã nỗ lực tìm lời giải suốt 70 năm.

Về mặt hiệu năng, kết quả đạt được thực sự gây ấn tượng mạnh. Transistor mới chỉ tiêu thụ khoảng 0,45 femtojoule trên mỗi micromet – mức năng lượng thấp hơn tới 10 lần so với những thành tựu quốc tế từng được công bố trước đây. Không chỉ tiết kiệm điện, tốc độ xử lý của nó cũng cực kỳ nhanh, khi chỉ cần 1,6 nanogiây (tức 1,6 tỷ phần của một giây) để hoàn thành một lệnh tính toán.

Điểm đáng chú ý nằm ở chỗ: khi kích thước linh kiện càng được thu nhỏ, hiệu quả hoạt động lại càng tăng lên – trái ngược với quy luật thường thấy trong nhiều công nghệ bán dẫn. Khi chiều dài cổng giảm xuống sát ngưỡng 1nm, hiệu ứng tập trung điện trường trở nên mạnh mẽ hơn, giúp thiết bị vận hành hiệu quả vượt trội. Đây được xem là phát hiện quan trọng, mở đường cho các hướng phát triển mới của công nghệ chip trong tương lai.

Bước đột phá này mở ra nhiều kỳ vọng cho thế hệ chip AI kế tiếp. Loại transistor mới có thể vừa lưu trữ dữ liệu vừa trực tiếp xử lý tính toán ngay tại cùng một vị trí, thay vì phải liên tục chuyển dữ liệu giữa bộ nhớ và bộ xử lý như kiến trúc truyền thống. Cách tiếp cận này góp phần tháo gỡ “bức tường bộ nhớ” – rào cản lớn nhất đang hạn chế hiệu suất của các hệ thống chip AI hiện đại.

Bối cảnh ra đời của thành tựu này cũng đặc biệt đáng chú ý. Từ năm 2022, Mỹ đã ban hành các lệnh hạn chế nhằm ngăn các công ty toàn cầu bán thiết bị sản xuất chip tiên tiến cho Trung Quốc. Tuy nhiên, thay vì chững lại, Trung Quốc lại đẩy mạnh đầu tư cho nghiên cứu và phát triển công nghệ nội địa. Trong khi các doanh nghiệp như Nvidia vẫn dẫn đầu thị trường chip cao cấp, Trung Quốc đang dần xây dựng những giải pháp thay thế của riêng mình và đạt được các bước tiến đáng kể như thành tựu lần này.

Theo Trendforce – trang web chuyên phân tích công nghệ, đây được xem là “transistor lưu trữ điện nhỏ nhất và tiết kiệm năng lượng nhất từng được báo cáo trên toàn cầu”. Thành quả này không chỉ phá vỡ những giới hạn vật lý tồn tại lâu nay, mà còn mở ra một chương mới cho ngành công nghệ chip, đặc biệt là các bộ xử lý AI thế hệ tiếp theo với sức mạnh xử lý cao hơn nhưng tiêu thụ điện năng thấp hơn đáng kể.