Định luật Moore: Cuộc cách mạng thầm lặng trên những con chip (Kỳ 1) 

Gordon Moore, người đồng sáng lập tập đoàn Intel vừa qua đời vào đầu năm 2023 này, nổi tiếng với việc dự báo sự tăng liên tục của mật độ transitor mà chúng ta có thể đóng gói trên các con chip, sau dự báo của ông được đặt là “Định luật Moore”.

Thực tế là Gordon Moore đã đưa ra dự đoán nổi tiếng vào năm 1965 rằng số lượng linh kiện bán dẫn mà chúng ta có thể ép vào một mạch tích hợp sẽ tăng gấp đôi mỗi năm. Trong một bài viết cho tạp chí Electronics, Moore đã tính toán và cho rằng vào năm 1975 có thể tích hợp một phần tư triệu linh kiện vào một con chip silicon duy nhất với diện tích chỉ bằng một inch vuông (6,25 cm²).

Nhà khoa học trẻ tài năng 

Sinh ngày 3/1/1929 tại Pescadero, California, Gordon Moore là một nhà hóa học được đào tạo bài bản, tốt nghiệp đại học năm 1950 tại Đại học California, Berkeley. Sau đó, ông lấy bằng tiến sĩ, cũng về hóa học, tại Viện Công nghệ California, rồi làm nghiên cứu sau tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng tại Đại học Johns Hopkins từ năm 1953 đến năm 1956. Năm đó, ông làm việc tại Phòng thí nghiệm Chất bán dẫn Shockley (SSL, Shockley Semiconductor Laboratory), vừa được thiết lập bởi nhà vật lý nổi tiếng William Shockley. Đó là một thời kỳ thú vị của ngành công nghiệp bán dẫn non trẻ. SSL là một trong những công ty công nghệ cao đầu tiên ở Thung lũng Silicon hoạt động trên các thiết bị bán dẫn và bản thân Shockley đã được trao giải Nobel Vật lý năm 1956 – cùng với Walter Brattain và John Bardeen – vì đã khám phá ra transitor. Moore là thành viên của một nhóm các nhà khoa học trẻ tài năng mà Shockley đã tuyển dụng để phát triển và sản xuất các thiết bị bán dẫn mới.

Tuy nhiên, Shockley không phải là một ông chủ dễ tính với phong cách quản lý độc đoán. Sau khi yêu cầu thay thế Shockley bị từ chối, Moore và các đồng nghiệp khác đã nghỉ việc vào năm 1957. Ngay sau đó họ, lúc đó được gọi là “tám kẻ phản bội”, đã thành lập công ty riêng với tên gọi Fairchild Semiconductor (đặt theo tên của một nhà điều hành kinh doanh giàu kinh nghiệm Sherman Fairchild, người đã đầu tư vào công ty này). Shockley đã gọi sự ra đi của Moore và các đồng nghiệp là “sự phản bội”. Năm 1965, trong khi làm giám đốc nghiên cứu tại Fairchild Semiconductor, Moore đã đưa ra dự đoán nổi tiếng của mình, dự đoán mà sau này được mệnh danh là “Định luật Moore”. 

Fairchild Semiconductor sớm phát triển thành công ty dẫn đầu trong ngành bán dẫn, được ONSEMI (một công ty chuyên thúc đẩy sự đổi mới để tạo ra các công nghệ cảm biến và năng lượng thông minh giúp giải quyết các vấn đề khó khăn nhất của khách hàng) mua lại với giá 2.4 tỷ USD vào năm 2016. Hoạt động như một vườn ươm công nghệ mới, Fairchild Semiconductor đã tham gia trực tiếp hoặc gián tiếp vào việc thành lập hàng chục tập đoàn, bao gồm cả Intel và AMD (Advanced Micro Devices). Năm 2014, theo một phân tích của Endeavour Insight (bộ phận nghiên cứu cung cấp phân tích và trực quan hóa dựa trên dữ liệu nhằm phát hiện ra điều gì làm cho hệ sinh thái khởi nghiệp phát triển), tổng cộng 92 công ty niêm yết công khai, với giá trị thị trường hơn 2.1 nghìn tỷ USD, đã được Fairchild Semiconductor trực tiếp hoặc gián tiếp tạo ra và hơn 2000 công ty nữa cũng có thể được truy nguyên từ Fairchild Semiconductor. Có lẽ nổi tiếng nhất là Intel, được thành lập vào năm 1968 bởi Moore và nhà vật lý Bob Noyce, một người đồng sáng lập của Fairchild Semiconductor. Ban đầu tập đoàn này được biết đến với tên gọi NM Electronics (NM là viết tắt của Noyce và Moore). Sau đó nó nhanh chóng được đổi tên thành Intel và Moore tiếp tục giữ nhiều vai trò cấp cao khác nhau, bao gồm cả chủ tịch và giám đốc điều hành. Tập đoàn Intel, công ty đi tiên phong trong các công nghệ mới về bộ nhớ máy tính, mạch tích hợp và thiết kế bộ vi xử lý, đã đạt doanh thu 63 tỷ USD vào năm 2022 và sử dụng hơn 125 nghìn nhân viên.

Khi qua đời, Moore được cho là có tài sản trị giá 7 tỷ USD nhưng, như là một nhà từ thiện hào phóng, ông đã thành lập Quỹ Gordon và Betty Moore vào năm 2000 với món quà trị giá 5 tỷ USD để hỗ trợ các dự án giáo dục và môi trường. Năm 2001 ông trao cho Caltech 600 triệu USD, đó là món quà lớn nhất khi đó dành cho một tổ chức giáo dục đại học. Moore cũng nhận được nhiều danh hiệu cao quý, bao gồm cả Huân chương Tự do của Tổng thống (Presidential Medal of Freedom) – giải thưởng dân sự cao nhất của Mỹ – do Tổng thống George Bush trao tặng năm 2002. 

Nhỏ hơn, nhanh hơn, tốt hơn

Tâm điểm của bất kỳ máy tính nào là bộ xử lý trung tâm (CPU, central processing unit), gồm các transitor riêng lẻ được liên kết với nhau để tạo thành một mạch tích hợp duy nhất nhằm thực hiện các phép tính số học cơ bản. Bộ vi xử lý chip đơn đầu tiên trên thế giới là CPU 4 bit do Intel phát hành vào năm 1971. Được gọi là Intel 4004, nó có 2300 transitor, mỗi transitor có kích thước khoảng 10 µm và được bán với giá 60 USD. Nhưng, như Moore dự đoán, số lượng transitor trên các mạch tích hợp sẽ nhanh chóng tăng lên.

Vào đầu những năm 1980, transistor đã có kích thước nhỏ chỉ bằng 1 µm và các công ty đã đóng gói tới 100 nghìn transistor vào một con chip. Số lượng transistor trên mỗi con chip đạt 1 triệu vào những năm 1990, 10 triệu vào đầu những năm 2000 và 100 triệu một thập kỷ sau đó. Các CPU mới nhất có hơn 10 tỷ transistor sử dụng cái được gọi là “quy trình 5 nm”, mà Intel quản lý để đóng gói hơn 100 triệu transistor trên mỗi milimét vuông vào năm 2019. Thuật ngữ “quy trình 5 nm” không liên quan đến bất kỳ tính năng vật lý thực tế nào của transistor với kích thước 5 nanomet. Về cơ bản đây chỉ là một thuật ngữ mang tính tiếp thị. Thí dụ con chip kích thức 2 nm của TSMC hoàn toàn không đề cập đến bất kỳ tính năng vật lý cụ thể nào trên thiết bị.

Các mạch tích hợp hiện đại được tạo ra bằng cách sử dụng một chất nền silicon hoặc một chất bán dẫn khác nào đó, sau đó dần dần cấy mạch theo từng lớp, lớp sau phủ lên lớp trước, bằng các kỹ thuật “in thạch bản” (“lithographic” techniques) khác nhau. Có rất nhiều phương pháp như vậy, nhưng nhìn chung tất cả đều liên quan đến việc sử dụng ánh sáng hoặc phản ứng hóa học. Điều tuyệt vời không chỉ là tiến bộ đáng kinh ngạc đạt được trong việc sản xuất chip, mà còn là mức độ sạch tuyệt đối có thể đáp ứng được yêu cầu trong các nhà máy chế tạo chất bán dẫn ngày nay.

Trở lại năm 1971, các chip Intel 4004 được sản xuất bằng cách sử dụng “quy trình 10 µm”, có nghĩa là tất cả các transitor trên một con chip được đặt cách nhau không quá 10 µm. Để đạt được kích thước nhỏ như vậy, Intel đã đi tiên phong trong việc sử dụng cái gọi là “mặt nạ quang” (“optical mask”). Về cơ bản “mặt nạ quang” là một tấm kính lớn, trong suốt, các bộ phận của tấm kính này được phủ bởi một mẫu (pattern) bằng chrome hấp thụ ánh sáng. Ánh sáng xanh được chiếu qua mặt nạ và được giữ lại phía trên bề mặt của tấm chất nền. Giải pháp thông minh của Intel là phủ lên tấm chất nền một lớp cản quang hữu cơ nhạy cảm với ánh sáng. Lớp này sẽ phản ứng nếu bị ánh sáng chiếu vào, trong khi các khu vực không được chiếu sáng sẽ không phản ứng gì. Sử dụng dung môi để hòa tan các phần tiếp xúc với ánh sáng, mẫu ban đầu trên mặt nạ sau đó có thể được chuyển sang silicon, mặc dù bây giờ nhỏ hơn nhiều. Một số bước tiếp theo sẽ được tiến hành để tạo thành các thiết bị cần thiết trong mạch tích hợp (xem hình về quang khắc).

Trong nhiều năm, các “thấu kính chiếu” (“projection lenses”) ngày càng chính xác hơn và đã được đưa vào giữa mặt nạ quang và tấm chất nền để làm cho các mạch nhỏ hơn. Ví dụ, vào những năm 1980, “các bước giảm kích thước” (“reduction steppers”) đã được phát triển để tạo ra các chip với kích thước 2 µm. Các thiết bị này đã chuyển các mẫu trên mặt nạ quang theo từng giai đoạn sang các mẫu với kích thước ngày càng nhỏ hơn. Các bước làm như vậy tiếp tục thống trị việc tạo khuôn mẫu in thạch bản trong suốt những năm 1990, khi kích thước tính năng tối thiểu đạt tới 250 nm.

Tuy nhiên, cuối cùng thì kích thước tính năng nhỏ nhất mà bạn có thể in bị giới hạn bởi hai yếu tố: (1) khả năng phân giải của chất cản quang và (2) kích thước tối thiểu của hình ảnh có thể chiếu lên tấm nền. Kích thước tối thiểu đó – còn được gọi là tiêu chuẩn Rayleigh (Rayleigh criterion) hoặc “giới hạn nhiễu xạ” (“diffraction limit”) – là 0.61 λ/NA, trong đó λ là bước sóng của ánh sáng và NA (Numerical Aperture) là khẩu độ số của thấu kính chiếu. Nói cách khác, không thể chiếu hình ảnh của một tính năng có kích thước nhỏ hơn khoảng một nửa bước sóng của ánh sáng được sử dụng. Để đạt được kích thước ngày càng nhỏ hơn, các hệ thống in thạch bản trong nhiều năm đã chuyển sang các bước sóng ngày càng ngắn hơn, từ màu xanh lam (436 nm) sang tia cực tím (365 nm) và sau đó là ánh sáng cực tím sâu (248 nm), với các hệ thống hiện đại nhất sử dụng bước sóng 193 nm từ laser excimer argon fluorine. 

Định luật Moore cũng đã được duy trì nhờ những cải tiến về khẩu độ số, đã được đẩy từ 0.16 lên tới 0.93, một giá trị cao đáng kinh ngạc. Những tiến bộ to lớn trong công nghệ định vị nano (nano-positioning) để căn chỉnh các loại mặt nạ khác nhau với độ chính xác phù hợp cũng rất quan trọng.□ (Còn tiếp)