Nhỏ bằng móng tay nhưng chứa gần 100 tỷ bóng bán dẫn
Gần 100 tỷ bóng bán dẫn trên một con chip nhỏ bằng móng tay là thành quả mới nhất của IBM, mở ra triển vọng nâng cao hiệu năng cho thế hệ bộ xử lý tương lai.
Nếu vài năm trước, việc đưa hàng chục tỷ bóng bán dẫn lên một con chip đã được xem là cột mốc lớn của ngành bán dẫn, thì nay con số ấy đang tiến sát mốc 100 tỷ.
Đó là những gì IBM vừa đạt được khi giới thiệu thiết kế chip sử dụng công nghệ 1 nanomet (nm). Trên một diện tích chỉ tương đương móng tay người, nhóm nghiên cứu đã tích hợp gần 100 tỷ bóng bán dẫn - gần gấp đôi so với chip 2 nm mà chính IBM công bố năm 2021.
Bóng bán dẫn có thể được hình dung như những "công tắc" siêu nhỏ điều khiển dòng điện bên trong bộ xử lý. Mỗi thao tác trên điện thoại, mỗi phép tính của AI hay mỗi dữ liệu được xử lý trong trung tâm dữ liệu đều phụ thuộc vào hoạt động của hàng tỷ bóng bán dẫn liên tục bật và tắt.
Khi mật độ bóng bán dẫn tăng lên, khoảng cách mà electron phải di chuyển giữa các linh kiện cũng ngắn hơn. Điều này giúp giảm độ trễ trong truyền tín hiệu, tăng tốc độ xử lý và cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng.
Theo IBM, thiết kế chip mới có thể mang lại hiệu năng cao hơn tới 50% hoặc tiết kiệm khoảng 70% điện năng so với công nghệ 2 nm, tùy theo điều kiện vận hành.
Nếu được thương mại hóa, những cải tiến này có thể mang lại lợi ích cho nhiều lĩnh vực, từ AI tạo sinh, điện toán đám mây đến điện thoại thông minh và máy tính cá nhân.
Điều đáng chú ý là con số "1 nm" ngày nay không còn phản ánh trực tiếp kích thước của bóng bán dẫn như trước đây. Khi các linh kiện bán dẫn đã chuyển sang cấu trúc ba chiều, tên gọi của tiến trình sản xuất chủ yếu mang ý nghĩa phân biệt thế hệ công nghệ.
Thay vào đó, yếu tố được các nhà sản xuất quan tâm nhiều hơn là mật độ bóng bán dẫn có thể tích hợp trên cùng một diện tích chip.
Để đạt được mật độ gần 100 tỷ bóng bán dẫn, IBM đã phát triển một kiến trúc mới mang tên Nanostack. Thay vì chỉ sắp xếp các bóng bán dẫn theo mặt phẳng, công nghệ này xếp chồng nhiều lớp vật liệu bán dẫn theo cấu trúc ba chiều, tận dụng cả không gian theo chiều cao để tăng số lượng linh kiện mà không cần mở rộng diện tích chip.
Theo IBM, mỗi bóng bán dẫn trong kiến trúc mới gồm ba lớp nano (nanosheet), mỗi lớp chỉ dày khoảng 15 hàng nguyên tử silicon. Việc kiểm soát cấu trúc vật liệu ở quy mô nguyên tử được xem là chìa khóa để tiếp tục thu nhỏ chip trong bối cảnh công nghệ bán dẫn đang dần tiến tới các giới hạn vật lý.
Tuy nhiên, tạo ra một nguyên mẫu trong phòng thí nghiệm mới chỉ là bước đầu. Đưa công nghệ vào sản xuất quy mô lớn còn là thách thức lớn hơn nhiều.
Việc chuyển sang một tiến trình chế tạo mới đòi hỏi phát triển vật liệu, hệ thống quang khắc và quy trình sản xuất hoàn toàn mới, đồng thời phải đạt tỷ lệ thành phẩm đủ cao để bảo đảm hiệu quả kinh tế.
Thực tế, công nghệ 2 nm cũng chỉ mới bắt đầu được thương mại hóa. Nhà sản xuất chip theo hợp đồng lớn nhất thế giới là TSMC mới triển khai sản xuất hàng loạt chip 2 nm vào cuối năm 2025.
Trong khi đó, Rapidus - đối tác sản xuất của IBM - đặt mục tiêu tham gia sản xuất dòng chip này trong thời gian tới. Theo Bloomberg, Apple cũng được cho là đang chuẩn bị đưa chip M6 sản xuất trên tiến trình 2 nm vào các mẫu MacBook Pro thế hệ mới.
IBM cho biết, sẽ cần ít nhất 5 năm nữa trước khi công nghệ 1 nm có thể bước vào giai đoạn sản xuất công nghiệp. Dù vậy, kết quả nghiên cứu cho thấy cuộc đua thu nhỏ chip vẫn chưa chạm tới giới hạn.
Khi số lượng bóng bán dẫn tiếp tục tăng lên trên cùng một diện tích, các thế hệ bộ xử lý tương lai có thể vừa mạnh hơn, vừa tiết kiệm năng lượng hơn, tạo nền tảng cho sự phát triển của AI và nhiều công nghệ số trong những năm tới./.