Nghiên cứu hé lộ tiềm năng của máy tính “lạnh”
Chip máy tính sinh ra rất nhiều nhiệt và cũng tiêu thụ nhiều năng lượng. Nhưng một nhóm các nhà khoa học đang đi theo một hướng mới với mục đích thiết kế ra những bóng bán dẫn có thể hoạt động ở nhiệt độ cực thấp, giúp tiết kiệm tới 80% năng lượng.
Nghiên cứu được thực hiện với sự hợp tác của các nhà khoa học đến từ Trung tâm nghiên cứu Jülich (Đức), Đại học RWTH Aachen (Đức), Viện công nghệ liên bang Lausanne EPFL (Thụy Sĩ), Công ty sản xuất chip TSMC (Đài Loan), Đại học quốc gia NYCU (Đài Loan) và Đại học Tokyo (Nhật Bản).
Trong bài báo giới thiệu hướng tiếp cận mới được công bố trên tạp chí Nature Reviews Electrical Engineering vào tháng 4/2025, các tác giả trình bày cách điều chỉnh công nghệ chế tạo bóng bán dẫn CMOS truyền thống để hoạt động trong môi trường đông lạnh, thông qua việc sử dụng vật liệu mới và thiết kế thông minh.
Ý tưởng đằng sau khái niệm “điện toán siêu lạnh/điện toán cryo” (cryogenic computing) là thực hiện tính toán ở môi trường nhiệt độ cực thấp. Cách tiếp cận này đặc biệt hấp dẫn đối với nhiều ứng dụng như máy tính lượng tử, tàu thăm dò vũ trụ và chẩn đoán hình ảnh y tế — những lĩnh vực thường đòi hỏi điều kiện nhiệt độ gần như bằng độ 0 tuyệt đối để hoạt động hiệu quả.
Giáo sư Qing-Tai Zhao tại Trung tâm nghiên cứu Jülich giải thích, bóng bán dẫn (transistor) chiếm phần lớn mức tiêu thụ điện năng trong máy tính. Mỗi một con chip thường chứa đến hàng tỷ bóng bán dẫn trên mỗi milimét vuông, và chúng cần một mức điện áp nhất định để chuyển đổi giữa trạng thái bật tắt của các bóng bán dẫn.
Ở nhiệt độ phòng, điện áp đó vào khoảng 60 mV/dec. Giá trị này được gọi là độ nhạy dòng điện kênh dẫn trong vùng hoạt động dưới điện áp ngưỡng (subthreshold swing), là một chỉ số đánh giá hiệu suất chuyển mạch của bóng bán dẫn – và phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ.
“Thông thường, điện áp chuyển mạch này giảm khi nhiệt độ giảm. Đó là vì ở nhiệt độ thấp, electron có ít nhiệt năng hơn, chúng không dễ “nhảy” qua hàng rào và sẽ hoạt động ổn định hơn. Ở gần độ 0 tuyệt đối, về lý thuyết, chỉ cần điện áp khoảng 1 mV là đủ”, giáo sư Zhao giải thích. Ít điện áp đồng nghĩa với ít năng lượng tiêu thụ hơn, ít nhiệt sinh ra hơn và hiệu suất cao hơn.
Thực tế, các nghiên cứu cho thấy ở 77°K (tương đương –196,15°C, tức nhiệt độ của nitơ lỏng), hệ thống có thể tiết kiệm đến 70% năng lượng, kể cả phần năng lượng cần để làm lạnh. Các nhà nghiên cứu ước tính, nếu dùng heli lỏng để làm lạnh xuống đến 4°K (tương đương -269,15°C) thì mức tiết kiệm năng lượng có thể lên tới 80%.
Tuy nhiên, thực tế lại không đơn giản như vậy. Ở nhiệt độ cực thấp, một số hiện tượng vật lý cơ bản vốn bị che khuất ở nhiệt độ cao hơn sẽ bắt đầu xuất hiện. Chẳng hạn như hiện tượng band tail, tức nhiễu loạn năng lượng do mạng tinh thể của vật liệu bị khiếm khuyết hoặc không đồng nhất. Chúng khiến bóng bán dẫn không thể tắt hoàn toàn, dòng điện vẫn tiếp tục bị “rò rỉ” mặc dù các linh kiện lẽ ra phải chặn chúng lại. Bên cạnh đó, còn có hiện tượng source-drain tunneling – một hiệu ứng lượng tử cho phép electron “xuyên thẳng” qua hàng rào thế năng.
Hai hiện tượng này kết hợp lại khiến giá trị subthreshold swing không giảm được như kỳ vọng. Thay vì đạt mức dưới 1mV trên mỗi bậc logarit như lý thuyết, độ dốc này thường chỉ giảm xuống mức 5-10 mV/dec ở nhiệt độ dưới 20°K – vẫn quá cao để đạt hiệu suất năng lượng như mong muốn lý thuyết.
Tin tốt là vẫn có những vật liệu có thể giúp khắc phục tình trạng này. Chẳng hạn như những vật liệu vốn không thể dùng ở nhiệt độ phòng lại tỏ ra rất hữu ích ở nhiệt độ cực thấp. Lý do là vì chúng có dải năng lượng hẹp, yếu tố này đóng vai trò thiết yếu trong hành vi chuyển mạch. Theo giáo sư Joachim Knoch từ Đại học RWTH Aachen, để hiện thực hóa các máy tính làm việc ở nhiệt độ cryo (gần 0 tuyệt đối), chúng ta cần “thay thế các vật liệu truyền thống trong công nghệ CMOS thương mại bằng các vật liệu mới, hoặc tái đánh giá và tích hợp các vật liệu đã biết.”
Trong nghiên cứu mới đăng trên Nature Reviews Electrical Engineering này, giáo sư Zhao, giáo sư Knoch và các đồng nghiệp đã đề xuất một loạt công nghệ mà khi kết hợp có thể sinh ra một loại “siêu bóng bán dẫn dùng cho nhiệt độ cryo”. Bao gồm:
- Kiến trúc Gate-all-around với kênh dẫn nanowire nằm ngang và cấu trúc Fully Depleted Silicon-on-Insulator (FD-SOI), cho phép kiểm soát dòng điện cực kỳ chính xác.
- Các chất điện môi hằng số cao (high-k dielectrics), với hằng số điện môi rất lớn, kết hợp với các lớp xen kẽ mỏng ở cấp độ dưới nanomet, giúp giảm sự rối loạn năng lượng và gom điện trường một cách hiệu quả.
- Các kỹ thuật chế tạo vùng cực nguồn/máng (source/drain engineering), giúp tạo ra vùng chuyển tiếp giữa cổng và máng có độ dốc lớn hơn và tạo ra các vùng cực có ít sai hỏng trong tinh thể bán dẫn hơn.
- Vật liệu bán dẫn có dải năng lượng nhỏ (small bandgap semiconductors), giúp bóng bán dẫn chuyển trạng thái với điện áp thấp hơn.
- Công nghệ cổng phụ “back gating”, cho phép điều chỉnh điện áp ngưỡng một cách linh hoạt.
Hung-Li Chiang, nhà nghiên cứu tại TSMC, đồng tác giả của bài báo cho biết: những con chip được thiết kế để hoạt động tốt trong môi trường lạnh có thể giúp tiết kiệm đáng kể điện năng – đặc biệt là ở các trung tâm dữ liệu hiệu suất cao, nơi có hàng ngàn, thậm chí hàng trăm ngàn con chip chạy cùng lúc.
Ngoài ra, chip tối ưu cho môi trường lạnh còn cực kỳ quan trọng với máy tính lượng tử. Bởi trong loại máy tính này, các trạng thái lượng tử cực kỳ mong manh, dễ bị nhiễu loạn. Nhiệt độ cao là “kẻ thù số một”, nên máy tính lượng tử thường phải hoạt động ở nhiệt độ cực thấp – dưới 4°K (tương đương -269,15°C) – nhờ hệ thống làm lạnh đặc biệt gọi là cryostat.
“Yêu cầu của các hạt electronic lượng tử là cực kỳ khắt khe. Nhưng những công nghệ phát triển trong bối cảnh này có thể mở đường cho máy tính hiệu năng cao hoạt động ở nhiệt độ cryo, cũng như các hệ thống tính toán lạnh phổ quát – nơi kết hợp cả kiến trúc von Neumann, vật lý lượng tử và hệ thống mô phỏng thần kinh (neuromorphic) – tất cả đều tiêu thụ năng lượng siêu thấp,” giáo sư Zhao giải thích.
Việc các chuyên gia từ hãng gia công chip lớn nhất thế giới TSMC tham gia vào nghiên cứu này cho thấy ngành công nghiệp cũng nhìn thấy tiềm năng của điện toán cryo và đang tìm cách hiện thực hóa chúng vào trong quy mô lớn.
Trang Linh dịch từ Forschungszentrum Jülich
Tài liệu:
Zhao, QT., Han, Y., Han, HC. et al. “Ultra-low-power cryogenic complementary metal oxide semiconductor technology”, Nature Reviews Electrical Engineering (2025), DOI: 10.1038/s44287-025-00157-7
