Định luật Moore có sớm trở thành dĩ vãng? (Kỳ 2)

Nhiều ý kiến cho rằng Định luật Moore sẽ sớm trở thành dĩ vãng, vì kích thước hữu hạn của silicon không cho phép thu nhỏ mãi các vi mạch. Để duy trì định luật Moore cần phải đạt được những tiến bộ to lớn hơn trong khoa học vật liệu. Nhưng đó là điều vô cùng khó khăn và tốn kém.

James McKenzie, một cây bút của Physics World chuyên viết về vật lý trong công nghiệp, quan tâm đến việc “định luật Moore” vẫn đang phát triển mạnh mẽ như thế nào sau gần sáu thập kỷ, nhưng cảnh báo rằng việc duy trì những tiến bộ xa hơn nữa đang trở nên khó khăn hơn và tốn kém hơn bao giờ hết.

Khi Công ty Sản xuất Chất bán dẫn Đài Loan (TSMC, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) công bố vào năm 2022 rằng họ đang có kế hoạch xây dựng một nhà máy mới để sản xuất các mạch tích hợp, thì điều đáng chú ý không chỉ là mức giá hấp dẫn 33 tỷ USD, mà còn là việc nhà máy đó, dự kiến khai trương vào năm 2025 tại thành phố Hsinchu, sẽ sản xuất các chip với kích thước nhỏ “2 nanomet” đầu tiên trên thế giới. Nhỏ hơn, nhanh hơn và hiệu quả hơn tới 30% so với bất kỳ vi mạch nào trước đây, các chip của TSMC, sẽ được bán cho những tập đoàn công nghệ lớn như Apple, đảm bảo cung cấp năng lượng cho mọi thứ từ điện thoại thông minh đến máy tính xách tay. Nhưng khả năng chế tạo những con chip nhỏ xíu và công hiệu mạnh như vậy không hề làm chúng ta ngạc nhiên. 

Dự đoán của Moore đã đúng, mặc dù vào năm 1975, ông đã dự báo lại rằng mật độ transitor trên một con chip sẽ tăng gấp đôi sau mỗi hai năm, thay vì mỗi năm. Điều này sau đó được đặt tên là “Định luật Moore” và đã được minh chứng là chính xác một cách đáng kinh ngạc, vì khả năng đóng gói ngày càng nhiều transitor vào một không gian nhỏ bé đã là nền tảng của sự phát triển gần như không ngừng của ngành công nghiệp điện tử tiêu dùng. Thực ra nó chưa bao giờ là một “định luật” khoa học theo đúng nghĩa mà chỉ giống như một mô tả về cách mọi thứ đã phát triển trong quá khứ cũng như vạch ra một lộ trình mà ngành công nghiệp bán dẫn áp đặt cho chính nó để thúc đẩy sự phát triển trong tương lai.

Hướng tới tương lai

Theo vật lý cơ bản, khi các linh kiện có kích thước nhỏ hơn, chúng có thể hoạt động nhanh hơn và tốn ít năng lượng hơn. Trong khi đó, kinh tế học đơn giản chỉ ra rằng khi bạn đóng gói nhiều linh kiện hơn vào một con chip, thì mỗi linh kiện sẽ trở nên rẻ hơn. Trong bài báo năm 1965 của mình, Moore lưu ý: “Chi phí cho mỗi linh kiện gần như tỷ lệ nghịch với số lượng các linh kiện.” Một giám đốc nghiên cứu tại một công ty bán dẫn của Mỹ (Fairchild Semiconductor company) vào thời điểm đó cho rằng Moore đơn giản chỉ là đặt hai khái niệm lại với nhau. Bằng cách đó Moore đã chứng tỏ mình là một người nhìn xa trông rộng, người đã dự đoán chính xác tốc độ phát triển chóng mặt của công nghệ bán dẫn. Trong khi các chi tiết kỹ thuật chính xác về cách thu nhỏ kích thước các transistor đã thay đổi theo thời gian, nhiều dự đoán của Moore về sự phát triển của các mạch tích hợp đã thành hiện thực. Trong bài viết quan trọng của mình, Moore đã thấy trước sự xuất hiện của đồng hồ kỹ thuật số, máy tính gia đình, điện thoại thông minh (cái mà ông gọi là “thiết bị liên lạc di động cá nhân”), khả năng gửi nhiều tin nhắn qua điện thoại cũng như điều khiển tự động cho ô tô.

Trong một cuộc phỏng vấn với IEEE Spectrum (bộ phận chuyên thông báo tin tức và phân tích những công nghệ mới nhất từ các tạp chí kỹ thuật hàng đầu thế giới) nhân dịp kỷ niệm 50 năm bài báo xuất bản năm 1965 của ông, Moore nói rằng ông rất ngạc nhiên vì định luật của mình đã tồn tại lâu như vậy. Cụ thể, ông ấy nói: “Tôi không bao giờ có thể đoán trước được rằng có ai đó sẽ nhớ đến nó cho đến tận bây giờ.” Theo ông, sự tiếp tục của “định luật Moore” là một cách tôn vinh đối với sự sáng tạo của các kỹ sư trong ngành công nghiệp bán dẫn, những người đã hết lần này đến lần khác tìm ra những cách thức mới để thu nhỏ kích thước các thiết bị. “Tôi không bao giờ có thể nhìn thấy nhiều hơn một vài thế hệ chip tiếp theo, và sau đó có vẻ như chúng ta sẽ phải đối mặt với những bức tường nào đó. Nhưng những bức tường đó cứ lùi dần”, Moore giãi bày.

Tuy nhiên, cũng trong cuộc phỏng vấn nói trên, Moore nhận ra hai trở ngại vật lý cơ bản sẽ ngăn cản bất kỳ quá trình liên tục thu nhỏ kích thước các linh kiện nào. Ông nhắc lại rằng nhà vũ trụ học Stephen Hawking đã từng chỉ ra trong chuyến thăm Thung lũng Silicon là không gì có thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng, trong khi vật chất, nói cho cùng, là được tạo thành từ các nguyên tử có kích thước hữu hạn. Nói cách khác, tốc độ và kích thước đối với các con chip là có giới hạn. Moore cảnh báo: “Đây là những nguyên tắc cơ bản và tôi không hiểu chúng ta sẽ xoay sở như thế nào. Và trong vài thế hệ tiếp theo, chúng ta sẽ vấp phải những khó khăn nghiêm trọng về vấn đề này.” Vậy là sự kết thúc của định luật Moore sẽ nhanh chóng xảy ra sao?

Giảm kích thước xuống tới 2 nm

Nhưng làm thế nào để có được quy trình 2 nm như đang được sử dụng tại TSMC ở Đài Loan? Kích thước này nhỏ hơn nhiều so với giới hạn nhiễu xạ ngay cả đối với ánh sáng có bước sóng cực ngắn là 193 nm. Hầu hết các nhà sản xuất chip đã chuyển sang các hệ thống do công ty đa quốc gia Hà Lan ASML (Dutch multinational firm ASML) – Công ty duy nhất trên thế giới nắm giữ công nghệ cốt lõi trong sản xuất chip bán dẫn – phát triển. Sử dụng ánh sáng cực tím có bước sóng 13.5 nm (gần như nằm trong dải tia X), những thiết bị này là những kỳ tích đáng kinh ngạc của kỹ thuật, thách thức mạnh mẽ ranh giới của các định luật vật lý. 

Ánh sáng cực tím được tạo ra bằng cách bắn những giọt thiếc nóng chảy bằng tia laser trong chân không và sau đó cho nó bật ra bởi những tấm gương do Zeiss – một công ty của Đức chuyên chế tạo các hệ thống quang học, dụng cụ đo lường công nghiệp và thiết bị y tế – chế tạo. Theo ASML cho biết, đó là những bề mặt phẳng nhất trên thế giới. Với chi phí hơn 150 triệu USD, mỗi hệ thống của ASML đều cực kỳ lớn, phải được vận chuyển tới khách hàng trong 40 container chở hàng khổng lồ, ba máy bay chở hàng và hơn 20 xe tải. Bất chấp giá cả, đến nay công ty đã bán được hơn 140 hệ thống ánh sáng cực tím kiểu này. Nhưng với tư cách là nhà cung cấp duy nhất, ASML trên thực tế đang bị kẹt trong việc mở rộng ngành công nghiệp bán dẫn.

Theo MIT Technology Review – một tạp chí truyền thông độc lập, nổi tiếng thế giới – các thế hệ chip đầu tiên có tính năng ánh sáng cực tím nhỏ xíu đã được Google và Amazon sử dụng để cải thiện khả năng dịch ngôn ngữ, cho kết quả của công cụ tìm kiếm, nhận dạng ảnh và trí tuệ nhân tạo. Cuộc cách mạng ánh sáng cực tím cũng đang tiếp cận người tiêu dùng hàng ngày, với các máy móc của ASML được sử dụng để sản xuất chip trong điện thoại thông minh của Apple và Samsung. 

Một số tiến bộ phi thường trong khoa học vật liệu và thiết kế transistor cũng giúp ích trong việc duy trì định luật Moore. Ví dụ, “transistor hiệu ứng trường vây” (“fin field-effect transistors”, FinFETS) sử dụng các cấu trúc tương đối cao, giống như vây trên bề mặt của đế silicon. FinFETS là một trong những sản phẩm đầu tiên của thế hệ transistor 3 chiều mới, có thể xếp chồng lên nhau. Các công ty đã sản xuất được các thiết bị có 176 lớp mặt nạ, nhưng trong lộ trình của ngành công nghiệp bán dẫn để cung cấp các thế hệ thiết bị trong tương lai thì số lớp mặt nạ sẽ là trên 600. Các quy trình 2 nm mới nhất thậm chí còn sử dụng các “transistor hiệu ứng trường” tiên tiến hơn, được gọi là thiết bị cổng bao quanh (gate all around), là một cấu trúc transistor được nâng cấp với cổng có thể tiếp xúc với kênh ở tất cả các phía, giúp khả năng mở rộng quy mô liên tục. Công ty IBM của Mỹ đã sử dụng chúng để tạo ra những con chip có mật độ 333 triệu transistor trên mỗi milimét vuông. Công ty tuyên bố rằng họ có thể lắp 50 tỷ transistor “lên một con chip có kích thước bằng một móng tay”. IBM cũng cho biết những con chip như vậy có thể tăng gấp bốn lần thời lượng pin của điện thoại thông minh, cắt giảm chi phí cho các trung tâm dữ liệu và giúp máy tính xách tay chạy nhanh hơn.

Giới hạn của định luật Moore

Về cơ bản, những gì đang xảy ra là áp dụng mọi cách khả dĩ để giữ cho định luật Moore đi đúng hướng. Ví dụ, ASML đang hướng tới các chip với kích thước 1 nm bằng việc sử dụng các hệ thống in thạch bản với ánh sáng cực tím. Trong khi vẫn có thể mong đợi những cải tiến tốt hơn nữa trong in thạch bản, với độ phân giải thường giảm một nửa sau mỗi sáu năm. Điều đó rất đáng để nỗ lực: các bộ xử lý được sản xuất bằng chip silicon 2 nm của TSMC chẳng hạn sẽ chạy nhanh hơn tới 15% so với các thiết bị 3 nm, trong khi tiêu thụ năng lượng ít hơn khoảng 25%.

Chắc chắn là chúng ta vẫn chưa kết thúc với định luật Moore. Mặc dù 2 nm chỉ bằng chiều rộng của 10 nguyên tử silicon, nhưng hãy nhớ rằng các transistor trong chip 2 nm không thực sự nhỏ như vậy; khoảng cách giữa các cổng là gần 50 nm cho nên vẫn còn một ít cơ hội để tiếp tục duy trì cuộc chơi. Chúng ta cũng có thể khai thác nhiều hơn từ những con chip hiện có bằng cách viết mã phần mềm hiệu quả hơn. Nhưng thật khó để thấy những đổi mới nào sẽ xuất hiện tiếp theo để duy trì định luật Moore. Vào năm 2016, các nhà nghiên cứu ở Đức, Nhật Bản và Mỹ đã tạo ra một transistor chỉ gồm một phân tử, phân tử phthalocyanine, được bao quanh chỉ bởi 12 nguyên tử indium, mà – với kích thước cổng là 0.167 nm – sẽ là “giới hạn cứng tuyệt đối cho định luật Moore” (xem bài báo đăng trên Nat. Phys.11 640). Ngoài ra còn có sự chuyển sang các loại chip khác nhau được thiết kế cho các ứng dụng cụ thể, như AI chẳng hạn, bằng cách sử dụng các đơn vị xử lý đồ họa (graphical processing units, GPU) thay vì CPU và do đó có thể tính toán song song hiệu quả hơn.

Cuối cùng, việc chúng ta có thể duy trì định luật Moore đến mức nào xem ra sẽ là một vấn đề mang tính kinh tế thuần túy. Với nhà máy mới nhất của TSMC có giá 33 tỷ USD – cao hơn nhiều so với 15–20 tỷ USD của các nhà máy 5 nm – việc duy trì định luật Moore là một cuộc chơi có mức cược rất cao. Với tình hình kinh tế khó khăn như hiện tại, chỉ một số ít người chơi – IBM, Intel, Samsung và TSMC – là có khả năng phát triển công nghệ chip bán dẫn thế hệ tiếp theo. Họ chắc chắn chưa từ bỏ định luật Moore, nhưng những tiến bộ hơn nữa sẽ vô cùng khó khăn và rất tốn kém.□

——-

Tham khảo