EN
Liên kết nhanh
Điện tử hiện đại thực sự khởi đầu khi ba người tại Bell Labs – William Shockley, John Bardeen, và Walter Brattain – tạo ra transistor tiếp xúc điểm vào năm 1947. Trước đó, mọi thiết bị đều phụ thuộc vào các đèn điện tử chân không cồng kềnh, tiêu thụ rất nhiều năng lượng và dễ bị hỏng. Những thiết bị bán dẫn mới mà họ phát triển nhỏ gọn hơn nhiều, sử dụng ít điện năng hơn đáng kể, và cho phép các thiết bị thu nhỏ kích thước một cách mạnh mẽ. Vài năm sau, vào năm 1951, Shockley đã chế tạo phiên bản của mình gọi là transistor lớp ghép (junction transistor), hoạt động ổn định hơn theo thời gian và làm cho việc sản xuất hàng loạt các linh kiện này trở nên khả thi để sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp. Điều này về cơ bản đã mở ra làn sóng đổi mới điện tử trên diện rộng mà ngày nay chúng ta xem như điều hiển nhiên.
Chiếc đầu tiên các bộ bán dẫn đã dựa vào germanium vì nó hoạt động khá tốt như một vật liệu bán dẫn. Tuy nhiên, có một vấn đề khi nhiệt độ vượt quá khoảng 75 độ C, điều này khiến chúng không đáng tin cậy cho hầu hết các ứng dụng công nghiệp. Mọi thứ thay đổi vào khoảng giữa những năm 1960 khi silicon bắt đầu trở thành vật liệu được ưu tiên sử dụng. Silicon có thể chịu được nhiệt độ cao hơn nhiều, rò rỉ dòng điện ít hơn và hoạt động tốt hơn với các lớp cách điện oxit đang trở nên phổ biến trong ngành công nghiệp. Khi các phương pháp cải thiện việc nuôi tinh thể và thêm tạp chất thông qua quá trình pha tạp được hoàn thiện, các nhà sản xuất bắt đầu sản xuất các tấm wafer silicon một cách đồng đều. Sự phát triển này hóa ra rất quan trọng để làm cho các linh kiện bán dẫn nhỏ hơn và mạnh hơn theo thời gian.
Vào năm 1958, Jack Kilby tại Texas Instruments và Robert Noyce từ Fairchild Semiconductor đã phát minh ra một thứ khá đột phá: mạch tích hợp. Kỳ quan nhỏ bé này đặt tất cả các linh kiện điện tử riêng lẻ lên một miếng silicon thay vì để chúng rải rác trên một bảng mạch. Đến giữa những năm 70, quy mô tích hợp lớn (large scale integration) bắt đầu bùng nổ, nhồi nhét hàng chục ngàn bóng bán dẫn siêu nhỏ vào mỗi con chip. Điều này hoàn toàn phù hợp với dự đoán trước đó của Gordon Moore về việc sức mạnh máy tính sẽ tăng gấp đôi sau mỗi vài năm. Theo thời gian, những cải tiến trong các kỹ thuật như quang khắc và những phương pháp tốt hơn để chế tạo chip phẳng đã củng cố vững chắc vị thế của silicon như ông vua trong thế giới kỹ thuật số. Những bước tiến này không chỉ giúp hiện thực hóa máy tính hằng ngày mà còn cả những thiết bị như điện thoại thông minh, máy chủ vận hành các trang web, và thậm chí là các thành phần trong trung tâm dữ liệu hiện đại giữ cho internet hoạt động liên tục.
Định luật Moore về cơ bản nói rằng số lượng transistor trên một con chip tăng gấp đôi cứ sau khoảng hai năm, và điều này đã dẫn dắt sự phát triển máy tính kể từ khi Gordon Moore đưa ra dự đoán nổi tiếng của ông vào năm 1965. Nhìn vào các con số, ta thấy kích thước transistor đã giảm từ khoảng 10 micromet trong thập niên 70 xuống còn dưới 5 nanomet vào năm 2023, điều này thực sự làm tăng tốc độ cũng như hiệu suất hoạt động của các con chip. Từng tồn tại một hiện tượng gọi là Dennard scaling giúp duy trì mức tiêu thụ điện năng ổn định khi transistor thu nhỏ lại, nhưng xu hướng này bắt đầu sụp đổ vào khoảng năm 2004 do các vấn đề rò rỉ dòng điện và quản lý nhiệt. Theo Báo cáo Thang đo Bán dẫn Gần đây năm 2024, tất cả những điều này đã khiến ngành công nghiệp chuyển hướng sang sử dụng nhiều nhân thay vì chỉ làm cho nhân đơn chạy nhanh hơn, do đó các nhà sản xuất hiện đang tập trung nhiều hơn vào xử lý song song thay vì cố gắng đẩy tần số xung nhịp lên cao hơn.
Khi chúng ta tiến đến kích thước dưới 5nm, mọi việc bắt đầu trở nên thực sự khó khăn do hiện tượng chui hầm lượng tử và các điện dung ký sinh khó chịu. Các electron không còn hoạt động như mong đợi nữa, chúng có xu hướng lách qua các rào chắn cổng nhờ hiệu ứng chui hầm. Điều này tạo ra đủ loại dòng rò rỉ, có thể tiêu thụ khoảng 30% tổng công suất của một con chip theo nghiên cứu của Ponemon từ năm ngoái. Và tình hình còn tồi tệ hơn khi xem xét các hiệu ứng kênh ngắn, làm ảnh hưởng đến độ ổn định của điện áp ngưỡng. Biến thể tăng khoảng 15% ở các node siêu nhỏ này như được ghi nhận trong các nghiên cứu của IEEE năm 2022. Tất cả những vấn đề này chồng chất lên nhau và khiến việc quản lý mật độ công suất trở nên cực kỳ thách thức. Kết quả là, các nhà sản xuất đã phải đầu tư mạnh vào các hệ thống làm mát tinh vi, thứ thường làm tăng thêm từ 20% đến 40% chi phí sản xuất tổng thể cho những con chip tiên tiến nhất này.
Số lượng transistor tiếp tục tăng, nhưng các phương pháp thu nhỏ truyền thống không còn được giới chuyên môn đánh giá cao nữa. Theo một cuộc khảo sát của IEEE năm ngoái, khoảng hai phần ba kỹ sư bán dẫn cho rằng Luật Moore về cơ bản đã chạm đến giới hạn. Chỉ khoảng một trong mười người kỳ vọng chúng ta sẽ thấy các chip silicon thực tế dưới 1nm trong thời gian tới. Hầu hết các công ty đang chuyển trọng tâm sang tích hợp chip 3D và kết hợp các thành phần khác nhau thay vì cố gắng thu nhỏ mọi thứ vào một khối duy nhất. Nhìn vào xu hướng gần đây, thế giới công nghệ dường như quan tâm ít hơn đến việc transistor nhỏ đến mức nào, mà chú trọng nhiều hơn vào hiệu suất tổng thể khi các hệ thống phối hợp với nhau. Đây là một bước chuyển biến khá lớn trong cách nhìn nhận thế nào là tiến bộ thực sự trong phát triển bán dẫn.
Việc chuyển từ các transistor phẳng sang các cấu trúc FinFET 3D hiện đại gần như là một bước đột phá trong việc kiểm soát điện năng tốt hơn. Mấu chốt ở đây là việc bao bọc cổng xung quanh phần vây silicon nhỏ đứng thẳng này, giúp giảm thiểu hiện tượng rò rỉ không mong muốn và cho phép thu nhỏ linh kiện xuống dưới 22 nanomet. Sau đó, các transistor dạng nanosheet ra đời, phát triển sâu hơn khái niệm này, cho phép kỹ sư điều chỉnh độ rộng của các kênh dẫn điện tùy theo mức điện áp cần xử lý. Theo những gì ngành công nghiệp đã ghi nhận, các thiết kế ba chiều này tiếp tục hoạt động hiệu quả ngay cả khi kích thước nhỏ hơn 3nm, điều mà các thiết kế phẳng cũ không thể thực hiện được khi tiến trình đạt khoảng 28nm do các vấn đề rò rỉ và tiêu hao năng lượng trở nên mất kiểm soát.
Thiết kế transistor Gate-all-around (GAA) đưa công nghệ FinFET lên một tầm cao mới bằng cách bao bọc hoàn toàn kênh dẫn bằng vật liệu cổng từ mọi hướng. Việc bao phủ toàn bộ này mang lại khả năng kiểm soát tốt hơn nhiều đối với các đặc tính điện và giảm thiểu rò rỉ không mong muốn khoảng 40 phần trăm. Ngoài ra, các linh kiện này chuyển đổi trạng thái nhanh hơn và hoạt động hiệu quả ngay cả khi được thu nhỏ vượt mốc 2nm. Trong khi đó, cấu trúc Complementary FET (CFET) đẩy tiến trình này xa hơn bằng cách xếp chồng transistor loại n và loại p theo chiều dọc, cái này trên cái kia. Cách sắp xếp thông minh này làm tăng gấp đôi số lượng linh kiện logic có thể đặt trong cùng một diện tích mà không cần mở rộng thêm diện tích bề mặt chip. Cả hai phương pháp GAA và CFET đều giải quyết những thách thức lớn mà các nhà sản xuất gặp phải khi cố gắng kiểm soát các hiệu ứng điện tĩnh và tối ưu hóa bố trí khi các đặc điểm bán dẫn được thu nhỏ đến kích thước nguyên tử.
Các nhà sản xuất bán dẫn hàng đầu đang tiến gần hơn đến các quy trình sản xuất dưới 2nm, mặc dù theo dự báo hiện tại, transistor kiểu gate-all-around (GAA) có thể sẽ bắt đầu sản xuất hàng loạt vào khoảng năm 2025. Hiện nay, phần lớn lộ trình phát triển ngành tập trung vào việc cải thiện hiệu suất trong khi giảm tiêu thụ năng lượng, thay vì chỉ đơn thuần tích hợp nhiều transistor hơn lên chip. Một số cơ sở thí điểm đã bắt đầu thử nghiệm các kỹ thuật kết dính lai để tạo ra những cấu trúc 3D nguyên khối tinh vi, cho thấy các công ty đang hướng tới tầm nhìn tổng thể hơn về cách các hệ thống hoạt động phối hợp với nhau. Việc triển khai chậm rãi các công nghệ này giải thích vì sao ngày càng có nhiều vốn đầu tư đổ vào thiết bị lithography tiên tiến và các hệ thống lắng đọng hiện đại. Nếu không có những nâng cấp tốn kém này, toàn bộ ngành công nghiệp sẽ nhanh chóng rơi vào bế tắc.
Tích hợp 3D nguyên khối cho phép các nhà sản xuất tạo ra nhiều lớp hoạt tính trên một đế bằng các kỹ thuật chế tạo tuần tự. Khi kết hợp với công nghệ CMOS xếp chồng, cấu hình này làm cho việc tích hợp các mạch logic ngay cạnh các thành phần bộ nhớ trở nên khả thi. Hiện nay chúng ta đang chứng kiến việc SRAM được đặt trực tiếp bên dưới các lõi xử lý. Tuy nhiên, vấn đề nhiệt giữa các lớp và việc truyền tín hiệu từ lớp này sang lớp khác vẫn còn tồn tại. Nhưng những cải tiến gần đây trong phương pháp sản xuất nhiệt độ thấp cùng với các thông nối silicon xuyên (các kết nối nhỏ đi thẳng qua các tấm wafer silicon) tốt hơn đang chỉ ra rằng các sản phẩm thực tế có thể xuất hiện trên thị trường dành cho bộ tăng tốc AI và thiết bị tính toán biên vào khoảng năm 2026 chăng? Một số chuyên gia cho rằng kiểu mở rộng không gian này có thể duy trì định luật Moore thêm khoảng mười năm nữa trước khi chúng ta lại chạm đến giới hạn mới.
Các vật liệu được gọi là dichalcogenide kim loại chuyển tiếp, hay viết tắt là TMDs, bao gồm những chất như molypden disunfua (MoS2) và vonfram diselenide (WSe2). Những vật liệu này cực mỏng ở cấp độ nguyên tử và cho phép các electron di chuyển qua chúng khá nhanh. Khi xem xét các đặc điểm bán dẫn cực nhỏ, các TMD này có thể đạt tỷ lệ dòng điện bật/tắt trên mức 10 mũ 8 khi hoạt động ở chỉ 0,7 volt. Thực tế, điều này tốt hơn khoảng 74 phần trăm so với khả năng của silicon, theo một nghiên cứu gần đây của IMEC vào năm 2023. Cách mà các vật liệu này xếp chồng thành từng lớp giúp kiểm soát hiệu quả các hiệu ứng kênh ngắn khó chịu ngay cả khi kích thước cấu trúc giảm xuống khoảng 5 nanomet. Vì tính chất này, nhiều nhà nghiên cứu tin rằng TMDs có thể trở thành những khối xây dựng quan trọng cho các thế hệ chip máy tính và các thiết bị logic khác trong những năm tới.
Mặc dù có tiềm năng, việc áp dụng rộng rãi các vật liệu TMD bị cản trở bởi mật độ khuyết tật trong quá trình lắng đọng ở quy mô oanh. Epitaxy vùng chọn lọc đã giảm các trạng thái bẫy xuống 63%, tuy nhiên mật độ khuyết tật dưới 3% vẫn là yêu cầu cần thiết để sản xuất với khối lượng lớn – một tiêu chuẩn cho đến nay chỉ đạt được trong môi trường phòng thí nghiệm (Bản đồ tuyến đường Bán dẫn 2024).
Các transistor làm từ ống nano carbon thực sự có thể di chuyển electron theo đường thẳng mà không bị tán xạ khi chúng dài khoảng 15 nanomet. Điều này giúp chúng đạt tốc độ chuyển mạch nhanh gần gấp ba lần so với công nghệ FinFET silicon truyền thống. Nhưng có một trở ngại. Các nhà nghiên cứu vẫn gặp khó khăn trong việc kiểm soát tính xoắn (chirality - quyết định các đặc tính điện) và đạt được kết quả pha tạp nhất quán, khiến việc sản xuất các thiết bị đáng tin cậy một cách liên tục trở nên khó khăn. Graphene mang lại một trường hợp thú vị khác. Mặc dù có độ dẫn điện tuyệt vời, nhưng nó không có vùng cấm tự nhiên, điều này khiến nó không phù hợp với các mạch số thông thường. Tuy nhiên, hiện đang có những nghiên cứu đầy hứa hẹn với sự kết hợp giữa graphene và các lớp boron nitride dạng lục giác. Những cấu trúc lai này có thể tìm thấy ứng dụng chuyên biệt trong các lĩnh vực cụ thể, nơi mà các đặc tính độc đáo của chúng có thể được khai thác hiệu quả.
Nỗ lực đưa vật liệu 2D vào sản xuất thông thường đã tập trung vào các phương pháp lắng đọng từng lớp nguyên tử, vốn hoạt động hiệu quả với các điện môi hằng số cao như HZO. Dữ liệu gần đây từ một nhóm công nghiệp năm 2024 cho thấy hầu hết các cơ sở chế tạo đã đang thử nghiệm thiết bị dành cho những vật liệu này. Khoảng 8 trên 10 dây chuyền hiện đã có thiết lập dụng cụ nào đó để xử lý vật liệu 2D. Tuy nhiên, vẫn còn vấn đề ở khâu cuối quy trình sản xuất nơi cần tạo ra các kết nối kim loại mới. Vấn đề nằm ở độ nhạy nhiệt vì nhiều quy trình không thể vượt quá 400 độ C mà không làm hư hại linh kiện. Giới hạn nhiệt độ này buộc các kỹ sư phải tìm ra các giải pháp sáng tạo để kết nối đúng cách các vật liệu tiên tiến này mà không làm giảm hiệu suất.
Số lượng thiết bị IoT dự kiến sẽ đạt khoảng 29 tỷ vào năm 2030, điều này có nghĩa là các transistor cần tiêu thụ ít hơn 1 microamp ở chế độ chờ để duy trì hoạt động hiệu quả. Nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng các mạch hoạt động dưới ngưỡng và các transistor hiệu ứng trường xuyên hầm – loại transistor mà chúng ta thường nghe nhắc đến trong thời gian gần đây – có thể giảm dòng rò rỉ gần 60 phần trăm so với công nghệ MOSFET tiêu chuẩn. Điều này thực tế ảnh hưởng như thế nào đến các ứng dụng thực tế? Nó cho phép các hệ thống giám sát môi trường và thậm chí một số thiết bị y tế cấy ghép có thể hoạt động trong nhiều năm chỉ với một lần sạc, đồng thời vẫn duy trì đủ năng lực xử lý để thực hiện nhiệm vụ một cách chính xác. Ngành công nghiệp bán dẫn đang tích cực thúc đẩy những đổi mới này vì họ nhận thức rõ tầm quan trọng ngày càng lớn của tuổi thọ pin dài trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau.
Các bóng bán dẫn silicon carbide (SiC) và gallium nitride (GaN) mới nhất hiện đang đạt hiệu suất khoảng 99,3% khi được sử dụng trong các bộ biến tần năng lượng mặt trời, góp phần giảm khoảng 2,1 triệu tấn khí thải CO2 mỗi năm trên toàn cầu. Các nghiên cứu gần đây từ các báo cáo cơ sở hạ tầng năng lượng chỉ ra rằng những linh kiện chuyển mạch tiên tiến này đã cắt giảm tổn thất điện khoảng 40% trong các ứng dụng lưới điện thông minh kể từ khi các số liệu năm 2020 được ghi nhận. Hiện nay, các nhà sản xuất đang chuyển sang các kỹ thuật đóng gói ở cấp độ oxi silic (wafer level packaging). Cách tiếp cận này không chỉ giúp giảm các tổn thất điện trở khó chịu mà còn tương thích tốt với thiết bị sản xuất 300mm hiện có mà không cần phải đại tu lớn các cơ sở sản xuất.
Các chip thần kinh nhân tạo sử dụng transistor hiệu ứng trường ferroelectric (FeFET) đạt được hiệu suất năng lượng tốt hơn 1.000 lần cho mỗi thao tác khớp thần kinh so với GPU—cho phép triển khai AI hiệu quả tại rìa mạng. Các transistor hữu cơ màng mỏng linh hoạt hiện đã đạt độ linh động 20 cm²/V·s và chịu được 500 chu kỳ uốn cong, hỗ trợ các thiết bị theo dõi sức khỏe bền bỉ và có thể giặt được.
Thiết kế transistor hiện đại cân bằng giữa dòng điện ON (ION), tốc độ chuyển mạch, chi phí và độ bền dựa trên nhu cầu ứng dụng. Transistor dùng cho ô tô hoạt động ổn định ở nhiệt độ 175°C, trong khi các loại dùng trong y sinh đáp ứng yêu cầu nghiêm ngặt về tỷ lệ hỏng hóc 0,1% trong suốt vòng đời 15 năm. Cách tiếp cận riêng theo từng ứng dụng này đảm bảo các bước tiến công nghệ được chuyển hóa thành độ tin cậy và giá trị thực tế.
Đột phá lớn mà Bell Labs thực hiện vào năm 1947 là gì?
Năm 1947, các nhà khoa học của Bell Labs đã phát minh ra transistor tiếp xúc điểm. Điều này cho phép các thiết bị điện tử trở nên nhỏ gọn và hiệu quả hơn nhiều so với các đèn chân không được sử dụng trước đó.
Tại sao silicon lại trở thành vật liệu được ưa chuộng hơn germanium trong các transistor?
Silicon thay thế germanium làm vật liệu bán dẫn được ưa chuộng vào giữa những năm 1960 vì nó chịu được nhiệt độ cao hơn, có độ rò rỉ thấp hơn và hoạt động tốt hơn với các chất cách điện oxit.
Luật Moore là gì và tại sao nó lại quan trọng?
Luật Moore dự đoán rằng số lượng transistor trên một con chip sẽ tăng gấp đôi khoảng hai năm một lần, thúc đẩy sự tiến bộ về sức mạnh tính toán và hiệu suất.
Công nghệ FinFET và GAA là gì?
FinFET và Gate-All-Around (GAA) là các kiến trúc transistor tiên tiến, cung cấp khả năng điều khiển điện tốt hơn và giảm thiểu hiện tượng rò rỉ, khiến chúng phù hợp với các kích thước chip nhỏ hơn.
Vật liệu 2D là gì và vai trò của chúng trong công nghệ transistor?
các vật liệu 2D, chẳng hạn như TMDs, chứa các lớp nguyên tử mỏng cho phép electron di chuyển tốt hơn, mang lại lợi ích hiệu suất tiềm năng so với các lớp silicon truyền thống trong các chất bán dẫn tương lai.
Đổi mới transistor đóng góp như thế nào vào hiệu quả năng lượng?
Việc đổi mới transistor, bao gồm các thiết kế tiêu thụ điện cực thấp và các vật liệu tiết kiệm năng lượng, giảm đáng kể mức tiêu thụ điện trong các thiết bị IoT, công nghệ năng lượng mặt trời và lưới điện thông minh.