Siêu vi mạch: Vượt qua giới hạn của sự chính xác

Siêu vi mạch: Vượt qua giới hạn của sự chính xác

Năm 1947, các nhà vật lý John Bardeen, William Shockley và Walter Brattain tại phòng thí nghiệm Bell đã công bố transistor đầu tiên có thể hoạt động (Hình 1), do đó họ đã nhận giải Nobel về Vật lý vào năm 1956.

Transistor đã giới thiệu một loại tính chất điện kết hợp giữa truyền dẫn và trở kháng, từ đó tạo ra tên gọi transistor. Transistor ban đầu không hề nhỏ gọn, mẫu nguyên thủy hiện đang được lưu trữ trong một bình thuỷ tinh tại phòng thí nghiệm Bell, với các sợi kim loại và các thành phần khác, cũng như một mảnh bán dẫn mỏng quan trọng làm bằng nguyên tố kim loại nhẹ màu bạc, germanium, cỡ bằng lòng bàn tay của trẻ em.

Sau khi transistor silic ra đời vào năm 1954, đặc biệt là sau khi transistor phẳng hoàn toàn xuất hiện vào năm 1959, “vi mô” mới thực sự trở nên khả thi. Khi ấy, Moore đã rời khỏi học thuật và bước vào lĩnh vực thương mại, bắt đầu khám phá khả năng thương mại hóa ngành công nghiệp bán dẫn còn non trẻ. Ông làm điều này theo yêu cầu của Shockley, người đã rời phòng thí nghiệm Bell vào năm 1956, đến Palo Alto ở phía Tây, nơi ông thành lập công ty của mình, Shockley Semiconductor.

Động thái của Shockley đánh dấu sự khởi đầu của thung lũng Silicon sau này, khu vực chưa được xây dựng nhưng sẽ trở thành thánh địa của ngành công nghiệp bán dẫn. Với giải thưởng Nobel và danh tiếng sẵn có, Shockley có đủ tiền để thuê bất kỳ ai ông muốn. Ông nhanh chóng tập hợp một nhóm các khoa học gia ưu tú, bao gồm Moore, người là giám đốc hóa học chính, và nhiều nhà vật lý và kỹ sư trẻ tuổi tài năng khác.

Tuy nhiên, nhóm ưu tú này nhanh chóng bị Shockley đẩy tới giới hạn, và trong chưa đầy một năm, tám người đã rời bỏ công ty, thành lập công ty mới vào năm 1957, sau này được Shockley chế nhạo là “Băng phản bội”. Công ty mới của họ, Fairchild Semiconductor, đã tạo ra một loạt sản phẩm dựa trên silic, đồng thời liên tục thu nhỏ kích thước của chúng và trang bị cho chúng sức mạnh tính toán mà chỉ máy tính khổng lồ chiếm cả phòng điều hoà mới có thể đạt được.

Công nghệ transistor phẳng, một trong hai thành tựu quan trọng nhất của Fairchild Semiconductor, đã thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của việc thu nhỏ transistor, từ đó dẫn đến việc Moore đưa ra quy luật nổi tiếng của mình. Ngày nay, chỉ những người trong ngành bán dẫn mới nhớ đến Jean Hoerni, người đã phát minh ra transistor phẳng, một trong tám người rời khỏi Shockley để thành lập Fairchild.

Khi đó, mọi người cần một transistor nhỏ gọn và hoạt động tốt. Hoerni đã đề xuất ý tưởng phủ một lớp oxit silic lên tinh thể silic thuần chất như một cách cách ly, làm thành phần của transistor, như vậy sẽ không có điểm lồi lõm hoặc mặt phẳng nào làm tăng kích thước không cần thiết. Ông khẳng định rằng transistor do ông sáng chế sẽ nhỏ hơn nhiều so với transistor mặt phẳng và đáng tin cậy hơn. Để chứng minh quan điểm của mình, ông yêu cầu một kỹ thuật viên tạo ra một nguyên mẫu có đường kính chỉ 1mm, trông giống như một chấm nhỏ. Sau đó, ông kịch tính phun nước bọt lên đó để chứng minh rằng bất kỳ hành động không phù hợp nào của con người cũng không ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của nó. Nguyên mẫu này hoạt động hoàn hảo, kích thước nhỏ bé, vận hành tốt và trông gần như không thể phá hủy, ít nhất là không chịu ảnh hưởng từ nước bọt, và chi phí cũng không cao. Từ giây phút đó, transistor này trở thành biểu tượng của Fairchild Semiconductor.

Tuy nhiên, đây chỉ là một trong hai sản phẩm thay đổi ngành của Fairchild Semiconductor. Sản phẩm khác được cảm hứng từ 4 trang vẽ nguệch ngoạc của Robert Noyce trong cuốn sổ tay của công ty. Noyce cũng là một trong tám người rời khỏi Shockley. Ông nghĩ rằng nếu transistor phẳng sắp trở thành hiện thực, liệu có thể đặt tất cả các thành phần điện tử như điện trở, tụ điện, bộ dao động, điốt, v.v., trên một tấm silic phủ oxit silic không? Nói cách khác, liệu có thể tích hợp mạch điện không? Nếu mạch điện có thể tích hợp, và nếu mỗi thành phần đều rất nhỏ và phẳng, liệu có thể sử dụng nguyên tắc hoạt động của máy chiếu hình để in mạch điện lên tấm silic không? Nguyên tắc hoạt động của máy chiếu hình tạo nền tảng cho ý tưởng này. Thiết kế viên có thể vẽ các bản đồ mạch điện lớn trên môi trường trong suốt, sau đó sử dụng một thiết bị tương tự như máy chiếu để in bản vẽ mạch điện lên lớp oxit silic trên tấm silic. Chỉ cần thiết kế lại ống kính của thiết bị để thu nhỏ hình ảnh nhiều hơn, thay vì phóng to.

Máy móc có thể thực hiện nhiệm vụ này, cụ thể là máy khắc sáng, đã xuất hiện. Khoảng cùng thời gian, máy in chữ nổi bắt đầu chuyển sang sử dụng bản in polymer, chính xác là dựa trên ý tưởng này. Hiện nay, máy in không còn sử dụng chữ cái và ký tự thủ công, mà chỉ cần nhập nội dung trang, sau đó đưa vào máy khắc sáng để sao chép nội dung lên bản in polymer mềm. Tất cả các chữ cái và ký tự đều nổi cao trên bản in polymer, luôn sẵn sàng được ép in lên giấy, tạo ra vẻ ngoài và cảm giác giống như ấn phẩm thủ công chữ nổi cũ. Tại sao không cải tiến máy này để không chỉ in văn bản lên polymer hoặc giấy mà còn in hình ảnh mạch điện lên tấm silic?

Như đã chứng minh, việc này rất khó. Tất cả các hình ảnh đều rất nhỏ, tất cả công việc đều phải đạt độ chính xác cao nhất và sai số nhỏ nhất, sản phẩm cuối cùng rất nhỏ. Đầu những năm 1960, sau vài tháng cố gắng, Noyce và Moore cùng nhóm của Moore tại Fairchild Semiconductor cuối cùng đã thành công trong việc lắp ráp thiết bị này và làm phẳng nó. Họ làm cho nó phẳng, giảm kích thước, công suất tiêu thụ và nhiệt lượng tỏa ra, và bán nó dưới dạng vi mạch trên nền tảng phẳng.

Đây thực sự là một bước đột phá. Đột nhiên, việc thu nhỏ mạch điện trở nên khả thi, điều này sẽ làm tăng tốc độ và sức mạnh của các thiết bị điện tử, đồng thời giảm kích thước của chúng.

Với sự ra đời của vi mạch này, việc chế tạo máy tính trở nên cực kỳ quan trọng, vì máy tính dựa vào trạng thái nhị phân của transistor mở hoặc tắt để thực hiện tất cả các phép tính mô phỏng và sau đó là các phép tính số. Nếu có đủ nhiều transistor và tốc độ xử lý nhanh chóng, máy tính có thể trở nên cực kỳ mạnh mẽ, nhanh chóng và rẻ tiền. Do đó, việc sản xuất vi mạch không thể tránh khỏi việc thúc đẩy sự phát triển của nhiều thiết bị, bao gồm cả máy tính cá nhân. Những thiết bị này đều dựa trên các mạch điện nhỏ gọn và nhanh chóng, ban đầu được thiết kế và tạo ra bởi nhóm trí tuệ của Fairchild Semiconductor.

Tuy nhiên, Fairchild Semiconductor gặp khó khăn về mặt kinh tế, và những người sáng lập đầy tham vọng nhất của công ty lại một lần nữa rời bỏ để thành lập công ty riêng của mình. Công ty mới này, Intel, được thành lập vào tháng 7 năm 1968, chỉ thiết kế và sản xuất bán dẫn. Người sáng lập của nó là Gordon Moore và Robert Noyce, còn được gọi là “Nhóm Tiên phong”.

Intel ra mắt vi xử lý thương mại đầu tiên chỉ sau ba năm, đó là vi xử lý đơn chip đầu tiên. Đó là vi xử lý Intel 4004 nổi tiếng. Công nghệ mới này mang lại độ chính xác mới, với một mảnh silic nhỏ xíu 12mm rộng được gắn trong một bộ vi xử lý dài 1 inch, trên đó khắc một mạch tích hợp chứa ít nhất 2.300 transistor. Năm 1947, transistor có kích thước bằng lòng bàn tay của trẻ em. Nhưng 24 năm sau, vào năm 1971, transistor trong vi xử lý chỉ rộng 10 micromet, tức là 1/10 đường kính của một sợi tóc con người. Từ lòng bàn tay đến sợi tóc, từ nhỏ đến cực nhỏ, thế giới đang trải qua những thay đổi sâu sắc.

Moore kiên quyết cho rằng kích thước của các chip này sẽ giảm một nửa mỗi năm, trong khi tốc độ và sức mạnh của chúng sẽ tăng gấp đôi. Nói cách khác, các chip cực nhỏ sẽ trở thành vi chip, vi chip sẽ trở thành siêu vi chip, và siêu vi chip có thể trở thành cấp độ nguyên tử. Moore đã công bố dự đoán này lần đầu vào năm 1965, với một chút tiên tri, và công ty của ông đã sản xuất ra những chip 4004 đầu tiên vào sáu năm sau. Sau khi nhìn thấy cách chip 4004 hoạt động và độ khó trong việc thiết kế, ông đã sửa lại dự đoán của mình, nói rằng thay đổi này xảy ra mỗi hai năm, chứ không phải mỗi năm. Dự đoán này đã chính xác kể từ năm 1971.

Vậy là, chip ngày càng nhỏ hơn, độ chính xác ngày càng cao hơn, và tốc độ thay đổi gần như là theo cấp số nhân. Do bản chất theo cấp số nhân trong quá trình sản xuất chip, số lượng transistor có thể được nhét vào một tấm silic sẽ tự động tăng theo cấp số bình phương, do đó giảm chi phí sản xuất mỗi transistor. Đặt 1.000 transistor trên một tấm silic, sau đó tính theo cấp số bình phương, không cần tăng đáng kể chi phí, bạn có thể sản xuất một chip có 1 triệu transistor.

Đơn vị đo lường của chip thường được biểu thị bằng các nút quy trình gây hiểu lầm. Nút quy trình là khoảng cách giữa hai transistor liền kề, hoặc là thời gian mà xung điện cần để di chuyển từ một transistor đến transistor khác. Phương pháp đo lường này có thể cung cấp thông tin chính xác hơn về sức mạnh và tốc độ của mạch điện cho các chuyên gia bán dẫn.

Nút quy trình cũng đã thu nhỏ, gần như đúng như dự đoán của Moore. Năm 1971, nút quy trình trên chip Intel 4004 là 10 micromet, khoảng cách giữa 2.300 transistor chỉ tương đương với kích thước của hạt sương. Đến năm 1985, nút quy trình trên chip Intel 80386 đã thu nhỏ xuống còn 1 micromet, tương đương với đường kính của một vi khuẩn điển hình, và bộ xử lý thường chứa hơn 1 triệu transistor. Khi chip được cập nhật liên tục, số lượng transistor tăng lên, và nút quy trình cũng thu nhỏ lại.

Đối với các chip cuối cùng được đề cập, việc đo lường nút quy trình bằng micromet đã trở nên vô nghĩa, chỉ có nanomet mới có ý nghĩa. Nanomet là 1/1.000 micromet, tương đương với một tỷ phần mét. Khi series Broadwell ra mắt vào năm 2016, kích thước của nút quy trình giảm xuống còn kích thước của virus nhỏ nhất, với ít nhất 7 tỷ transistor trên mỗi tấm silic. Khi viết cuốn sách này, chip Skylake của Intel sử dụng transistor mà mắt thường không thể nhìn thấy, trong khi transistor của chip 4004 dễ dàng nhìn thấy bằng kính hiển vi dành cho trẻ em. Số lượng transistor trên chip tích hợp từ năm 1971 đến 2016 được thể hiện trong Hình 3.

Như đã thể hiện trong Hình 3, quy luật Moore luôn chính xác. Ngày nay, kích thước chip nhỏ hơn nhiều, nhưng chứa hơn 10 tỷ transistor riêng biệt. Quy luật Moore mô tả một quy luật kinh nghiệm, rằng số lượng transistor trên một chip tích hợp sẽ tăng gấp đôi mỗi hai năm. Sự phát triển này cũng quan trọng không kém so với các tiến bộ công nghệ khác, ví dụ như tốc độ xử lý và giá cả của các thiết bị điện tử, đều liên quan chặt chẽ với quy luật Moore.

Trong tương lai, sẽ có những con số ngày càng ấn tượng hơn, số lượng transistor sẽ tăng lên và nút quy trình sẽ thu nhỏ lại, tất cả đều nằm trong phạm vi tham số mà Moore đã đề xuất vào năm 1965. Một quản lý cấp cao của Intel đã tự tin tuyên bố rằng số lượng transistor trên chip sản xuất vào năm 2020 có thể vượt xa số lượng neuron trong não người.

Quá trình sản xuất chip tinh vi

Năm 2018, 15 máy cắt chip khổng lồ từ Amsterdam đã được vận chuyển đến nhà máy chip Chandler của Intel. Nhà sản xuất máy cắt chip ASML, trước đây là Advanced Semiconductor Materials International, được thành lập vào năm 1984, tách ra từ Philips của Hà Lan, mục đích chính là để sản xuất máy cắt chip, trong đó ánh sáng đóng vai trò quan trọng. Trong giai đoạn đầu sản xuất chip, máy cắt chip sử dụng chùm sáng mạnh để khắc các vết trên bề mặt chip của chất hóa học nhạy sáng. Về sau, khi kích thước transistor trên chip ngày càng nhỏ, cường độ ánh sáng mạnh như laser đã được sử dụng.

Quá trình sản xuất một chip vi xử lý mất ba tháng. Đầu tiên, tinh luyện silicon tinh khiết được biến thành một thanh silicon dễ vỡ nặng 400 pound, sau đó được cắt thành các tấm đĩa bằng sợi dây mỏng, mỗi tấm có độ dày chính xác là 2/3 mm; thứ hai, sử dụng các hóa chất và chất mài mòn tương ứng để đánh bóng bề mặt trên của mỗi tấm; cuối cùng, các tấm đã đánh bóng được đưa vào máy cắt chip ASML để thực hiện quá trình sản xuất phức tạp và rườm rà, cuối cùng trở thành chip máy tính có thể hoạt động.

Trong quá trình sản xuất, mỗi tấm sẽ được chia thành 1.000 chip theo lưới. Mỗi chip được cắt chính xác từ tấm, cuối cùng sẽ mang hàng tỷ transistor, tạo thành những “trái tim” không rung động. Ngày nay, tất cả máy tính, điện thoại di động, máy chơi game điện tử, hệ thống định vị, máy tính bỏ túi và tất cả vệ tinh trong không gian và tàu vũ trụ ngoài không gian đều có một “trái tim” như vậy. Trước khi cắt ra chip, quá trình xử lý tấm đòi hỏi độ chính xác nhỏ đến mức con người không thể tưởng tượng được. Đầu tiên, cẩn thận vẽ mẫu lưới transistor mới lên mặt nạ mờ fume silic trong suốt, sau đó chiếu laser qua mặt nạ, chùm tia laser đi qua lưới ống kính hoặc phản xạ qua gương dài, cuối cùng chính xác khắc hình thu nhỏ lên vị trí tương ứng trên tấm đã được chia lưới. Như vậy, mẫu lưới transistor có thể được sao chép một cách cực kỳ chính xác.

Sau khi khắc laser đầu tiên hoàn thành, tấm được lấy ra và cẩn thận rửa sạch, sau đó khô và đưa trở lại máy cắt chip để khắc mẫu thu nhỏ khác. Quá trình này được lặp đi lặp lại, từng lớp chồng lên nhau, cho đến khi khắc xong 30 đến 40 lớp, thậm chí có thể lên đến 60 lớp, mỗi lớp và mỗi phần nhỏ trong mỗi lớp đều là các mảng mạch phức tạp. Khi quá trình khắc cuối cùng hoàn thành, tấm mặc dù đã được khắc laser nhiều lần, rửa sạch và khô, nhưng độ dày của nó không tăng thêm nhiều so với trước khi chưa qua xử lý. Độ chính xác của máy cắt chip là như vậy.

Trong quá trình này, việc làm sạch là quan trọng nhất. Nếu một hạt bụi cực nhỏ rơi vào mặt nạ vẽ mẫu trong quá trình laser xuyên qua, điều gì sẽ xảy ra? Mặc dù hạt bụi này có thể không nhìn thấy bằng mắt thường, nhỏ hơn cả sóng ánh sáng nhìn thấy, nhưng khi bóng của nó đi qua tất cả ống kính, phản xạ qua tất cả gương, nó sẽ tạo ra một “điểm đen lớn” trên tấm, phá hủy hàng trăm chip sắp được sản xuất, gây ra tổn thất hàng nghìn đô la. Do đó, các máy cắt chip ASML được đặt trong các phòng có kích thước kho chứa hàng, nơi sạch sẽ hơn thế giới bên ngoài hàng ngàn lần.

Các quy trình sản xuất khác đều tuân theo các chuẩn sạch quốc tế được công nhận. Các kỹ sư NASA đã lắp ráp kính viễn vọng James Webb tại Trung tâm Vũ trụ Goddard của NASA ở Maryland (Hình 4). Có thể người ta nghĩ rằng phòng sạch này rất sạch, nhưng thực tế, nó chỉ đạt chuẩn ISO7, cho phép có 352.000 hạt 0,5 micromet trong mỗi mét khối không khí. So với phòng sạch của nhà máy ASML ở Hà Lan, nơi đạt chuẩn ISO1, yêu cầu khắt khe hơn, cho phép chỉ có 10 hạt nhỏ hơn 0,1 micromet trong mỗi mét khối không khí. So sánh với môi trường sống bình thường, con người dường như đang lang thang trong một loại không khí và hơi nước độc hại, chỉ sạch bằng 1/5.000.000 so với phòng sạch của nhà máy ASML. Đây là yêu cầu của môi trường sản xuất vi mạch hiện đại, nơi độ chính xác dường như đang đạt đến một mức độ không tưởng và gần như không thể tin được.

Ngày nay, với các thiết bị khắc sáng mới nhất, có thể sản xuất các chip chứa hàng tỷ transistor: một mạch điện có 7 tỷ transistor, và 1 mm vuông chip chứa 100 triệu transistor. Tuy nhiên, những con số này cũng cảnh báo chúng ta, chắc chắn, chúng ta đang dần tiếp cận giới hạn. Sau gần nửa thế kỷ, chuyến tàu đã rời ga vào năm 1971 có thể sắp đến ga cuối cùng hào nhoáng. Điều này dường như ngày càng có khả năng xảy ra, đặc biệt là khi khoảng cách giữa các transistor ngày càng nhỏ, nhanh chóng tiếp cận đường kính của một nguyên tử đơn. Do khoảng cách quá nhỏ, đặc tính điện, electron, nguyên tử, photon hoặc liên quan đến lượng tử của một transistor sẽ nhanh chóng rò rỉ vào trường của transistor khác. Nói cách khác, chắc chắn sẽ có ngắn mạch. Mặc dù không có tia lửa và có thể không dễ nhìn thấy, nhưng vẫn có nguy cơ cháy, ảnh hưởng đến hiệu quả và tác dụng của chip và các thiết bị dựa trên chip như máy tính.

Cảnh báo này đã được đưa ra. Tuy nhiên, đối với những người thực sự mê mẩn với chip hoặc tin rằng việc tuân theo quy luật Moore và dự đoán của nó sẽ giúp thế giới loài người trở nên tốt đẹp hơn, có một câu nói quen thuộc: “Thử lại một lần nữa.” Công suất tăng gấp đôi, kích thước thu nhỏ một nửa, và khiến từ “không thể” trở nên không còn được nhắc đến, không còn được nghe thấy, không còn được quan tâm. Thực tế phân tử có thể áp đặt các quy tắc mới, nhưng những quy tắc này ngược lại với tất cả những gì đã xảy ra trong quá khứ, tuân theo những quy tắc này sẽ làm mất đi tham vọng và tầm ảnh hưởng của thế giới máy tính, nơi mà tầm ảnh hưởng của nó đã vượt xa tầm kiểm soát của con người trong những năm tháng tồn tại.

Từ khóa:

• Siêu vi mạch
• Quy luật Moore
• Transistor
• Chíp vi xử lý
• Chế tạo chip