Tài liệu: Lịch sử của Chip - vi mạch tích hợp

Chia sẻ: Trần Lê Kim Yến | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:12

Thêm vào BST

Báo xấu

62
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ngày nay với tốc độ phát triển mạnh mẽ của điện tử và công nghệ thông tin, hàng loạt các sản phẩm công nghệ cao đã ra đời.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tài liệu: Lịch sử của Chip - vi mạch tích hợp

Lịch sử của Chip - vi mạch tích hợp Ngày nay với tốc độ phát triển mạnh mẽ của điện tử và công nghệ thông tin, hàng loạt các sản phẩm công nghệ cao đã ra đời. Những thiết bị này đã góp phần nâng cao đời sống cho con người và chúng có một ý nghĩa lớn trong cuộc cách mạng công nghệ. Tuy nhiên một "thành viên" không thể không nhắc tới đó là Chip, mặc dù với vẻ bề ngoài có vẻ bé nhỏ nhưng những con Chip lại có một sức mạnh không hề "nhỏ" chút nào. IC_Chip_Design Nếu coi các cỗ máy hiện đại ngày nay như một thực thể sống thì những con Chip bé nhỏ chính là các tế bào góp phần nuôi dưỡng và duy trì sự sống cho các cỗ
máy này. Bài viết dưới đây sẽ cho chúng ta được biết thêm về lịch sử hình thành và phát triển của những con Chip đầu tiên của nhân loại. Năm 1947, J. Bardeen & W. Brattain (AT&T Bell Lab., USA) phát minh ra "Point Contact Transistor" - đây là một đột phá trong nỗ lực tìm ra thiết bị mới thay cho ống chân không. Dòng điện vào (bên trái hình tam giác) được truyền qua lớp dẫn điện trên bề mặt bản Germanium và được khuyếch đại thành dòng ra (bên phải hình tam giác). Sở dĩ thiết bị khuyếch đại dòng điện này có tên là TRANSISTOR vì nó là một loại điện trở (Resistor) hay bán dẫn có khả năng truyền điện (TRANSfer). transistor Năm 1950, W. Shockley (AT&T Bell Lab, USA) phát minh ra transistor kiểu tiếp hợp. Đây là mô hình đầu tiên của loại bipolar transitor sau này.
transistor Năm 1958, J. Kilby (Texas Instruments, Mỹ) phát minh ra mạch IC đầu tiên, mở đầu cho thời kỳ hoàng kim của vi điện tử. Điểm quan trọng trong phát minh của Kilby là ở ý tưởng về việc tích hợp các thiết bị điện tử (điện trở, transistor, condenser) lên trên bề mặt tấm silicon. Năm 1959, J. Hoerni và R. Noyce (Fairchild, Mỹ) thành công trong việc chế tạo ra transistor trên một mặt phẳng silicon. Hình dưới là transistor với cả 3 cực (base, emitter, colector) cùng nằm trên một mặt phẳng.
transistor với cả 3 cực (base, emitter, colector) Năm 1961, cũng chính J. Hoerni và R. Noyce đã tạo ra mạch flip-flop (với 4 transistor và 5 điện trở) trên mặt silicon. Năm 1970, G.-E. Smith và W.-S. Boyle (AT&T Bell Lab., USA) tạo ra mạch CCD 8-bit. CCD 8-bit Năm 2004, công ty Intel (Mỹ) chế tạo chip Pentium 4 với trên 42 triệu con transistor.
Pentium 4 Năm 2005, ê kíp liên kết giữa IBM, Sony, Sony Computer Entertainment, và Toshiba giới thiệu chip CELL đa lõi (multi-core), hoạt động ở tốc độ 4 GHz, đạt tốc độ xử lý lên tới 256 Gflop. Chưa đầy 50 năm kể từ ngày Kilby đề xuất ra ý tưởng về IC, ngành công nghệ vi mạch đã đạt được những thành tựu rực rỡ. Sự tăng trưởng ở tốc độ chóng mặt của ngành công nghệ vi mạch là chìa khóa quan trọng bậc nhất trong cuộc cách mạng công nghệ thông tin hiện nay. 1. Một bước ngoặt quan trọng Phát nhiệt từ các mạch tích hợp là một vấn đề quan trọng hàng đầu của các kỹ sư thiết kế. Thoạt nghe ta tưởng như chuyện đơn thuần. Nếu có phát nhiệt thì ta giảm nhiệt. Nhưng, giảm nhiệt trong một siêu vi mạch không đơn giản và nếu việc giảm nhiệt được diễn ra thuận lợi thì có lẽ chiếc máy tính ngày nay đã tiến rất xa và tinh vi hơn chiếc máy tính chúng ta đang sử dụng. Trong mạch tích hợp dày đặc những transistor cực nhỏ sự phát nhiệt đưa đến đến những bất lợi trong việc vận hành, giảm hiệu suất hoạt động của mạch và tiêu hao nhiều năng lượng. Các chuyên gia dự đoán nếu số transistor trong một chip và tốc độ xử lý gia tăng nhưng không có một biện pháp giảm nhiệt thỏa đáng thì chip có thể dễ dàng tiêu hao 10 kW năng lượng và phát nhiệt lượng 1000 W/cm2, tương đương với 10 bóng đèn 100 W từ một khoảnh diện tích 1 cm2 [1]. Sự tăng nhiệt nếu không được kiềm chế cứ thế gia tăng (thermal runaway) dễ dàng đưa đến việc cháy máy. Để đối phó, họ dùng tất cả mọi phương tiện từ công nghệ "thấp" như chiếc quạt gió đến công nghệ cao như
cải thiện vật liệu transitor và cấu trúc mạch tích hợp như được đề cập ở phần sau. Giải quyết vấn đề phát nhiệt cấp bách và quan trọng đến mức việc chế tạo những chiếc quạt gió, bộ phận tiêu nhiệt (heat sink) hay làm lạnh (refrigerator) bằng hiệu ứng nhi ệt điện (thermoelectric effect) để phát tán nhiệt từ chip của máy vi tính hoặc laptop trở thành một ngành quan trọng trong công nghiệp điện tử. Tuy nhiên, những công cụ này chỉ có thể làm nguội nhiều lắm một nguồn nhiệt 100 watt. Vì vậy, quạt gió và bộ tiêu nhiệt không phải là cách giải quyết triệt để. Sự phát nhiệt phần lớn xảy ra tại cổng transistor vì lớp cách điện SiO2 quá mỏng gây ra rò điện. Silicon dioxide (SiO2) là chất oxide truyền thống làm cổng transistor. Silicon là chất bán dẫn nhưng SiO2 là chất cách điện. Bằng sự thông minh của mình con người tận dụng sự ưu đãi của thiên nhiên một cách hoàn hảo. Thiên nhiên đã cho ta silicon, bây giờ ta cần một lớp mỏng chất cách điện thì tại sao lại không lợi dụng sự cách điện của SiO2. Ta cần lớp SiO2 cách điện để cách ly cổng ra ngoài ảnh hưởng của hai điện cực máng và nguồn. Đây là một yêu cầu tất yếu nên từ nhiều năm qua người ta nghiên cứu và hiểu rất rõ lý tính của lớp phủ cực mỏng SiO2 ở tận kích thước Angstrom (hay là 1/10 nanomét = 10-10 m) [2]. Việc tạo ra một lớp SiO2 trên mặt silicon có kích thước vài nanomét bằng cách oxid hóa silicon ở nhiệt độ cao là một khâu quan trọng trong phương pháp li-tô quang. Ta chỉ cần xử lý nhiệt silicon trong môi trường oxygen thì một lớp SiO2 mịn màng sẽ mọc lên. Bằng phương pháp li-tô, ta tạo ra những mô dạng SiO2 thích hợp bằng cách dùng acid để tẩy đi những phần không cần thiết. Sự đóng góp của lớp SiO2 cũng quan trọng không kém silicon trong công nghiệp điện tử nhưng sự thu nhỏ transistor khiến cho lớp SiO2 phải làm mỏng hơn và đây là một trong những nguyên nhân rò điện gây nhiệt làm tiêu hao năng lượng. Các nhà nghiên cứu nhắm vào việc cải thiện vật liệu để giải quyết tận gốc vấn đề phát nhiệt và rò điện. Để chế ngự việc phát nhiệt, người ta phải thay thế SiO2 bằng một loại oxide khác có hằng số điện môi (ký hiệu k) cao, còn gọi là chất cách điện có độ k cao (high-k dielectric). Từ thập niên 90 của thế kỷ trước, các kỹ sư thiết kế transistor và các nhà vật liệu học đã nghiên cứu nhiều loại oxide có hằng số điện
môi cao để thay thế SiO2 [2]. Cuối cùng, hai công ty Intel và IBM đã phá tung những trói buộc của SiO2 bằng cách chọn hafnium dioxide (HfO2) làm vật liệu cho cổng transistor, và vào năm 2007 lần đầu tiên Intel tung ra thị trường chip Penryn to 45 nm chứa 410 triệu transistor trên một diện tích vài cm2. Theo luồng chế biến này, transistor sẽ tiến đến 16 nm và chip sẽ vượt qua 1 tỉ chiếc trong cùng một diện tích vào năm 2018. Hằng số điện môi cao làm cho transistor duy trì được cường độ dòng điện cần thiết đi qua transistor đồng thời ngăn chặn được sự rò điện và nhờ vậy giảm thiểu sự phát nhiệt của chip (Phụ lục b). SiO2 đã phục vụ con người gần nửa thế kỷ và chấm dứt vai trò lịch sử của mình. HfO2 là một bước ngoặt quan trọng thay thế vai trò của SiO2 tiếp tục cuộc cách mạng thu nhỏ trong đó Penryn mở ra một kỷ nguyên mới của chip vi tính. Định luật Moore sẽ tiếp tục duy trì trong một thập niên kế tiếp. 2. Đâu là độ nhỏ cuối cùng? Tính thực dụng của các dụng cụ điện tử như giới tiêu thụ đã nhận thấy từ nhiều năm qua nằm trong tiêu chí "nhỏ hơn, nhanh hơn, rẻ hơn". Hằng năm, các hiệp hội công nghệ điện tử của Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan và châu Âu cùng chung đề xuất báo cáo mang tên là "International Technology Roadmap for Semiconductors" (ITRS, Bản đồ hướng đi của công nghệ quốc tế về chất bán dẫn) nói về những thành quả công nghệ, thương phẩm, những thách thức và dự đoán hướng đi tương lai của chất bán dẫn. Báo cáo tập trung vào sự cải biến và lộ trình tương lai của chip vi tính vì máy tính là một dụng cụ có sự đòi hỏi cao nhất về chức năng và tốc độ xử lý dữ liệu. Mỗi bước thu nhỏ của transistor đều ảnh hưởng sâu sắc đến những dụng cụ điện tử dẫn đến việc sản xuất phiên bản của đời kế tiếp. Đằng sau sự phát triển này là những khó khăn nằm trong dự đoán cũng như các thách thức xuất hiện ngoài dự đoán mà ngành công nghệ điện tử đã phải đối đầu hơn 40 năm qua. Vào những năm 70 của thế kỷ trước, các chuyên gia cho rằng transitor không thể chế tạo nhỏ hơn 1 µm (= 1.000 nm) do sự hạn chế của phương thức chế tạo. Trong chiếc máy vi tinh gia dụng đầu tiên được bán trên thị trường năm 1971 là chip
Intel 4004 chứa 2.300 transistor và mỗi transistor có độ lớn 10 µm. Phương thức li-tô được cải thiện và giới hạn độ nhỏ được đẩy lùi xuống 0.5 µm (= 500 nm) ở thập niên 80. Kinh nghiệm cũng cho thấy transistor không thể nhỏ hơn 250 nm vì sự rò điện sẽ xảy ra trong transistor. Tuy nhiên, phương pháp li-tô chế tạo transistor lại được phát triển và giới hạn độ nhỏ trong những năm đầu của thập niên 90 được đẩy xuống đến mức 100 nm [1]. Những rào cản kỹ thuật lần lượt bị chinh phục bởi sự kiên trì và thông minh của các kỹ sư và nhà khoa học. Lý thuyết kinh điển phải cải biên và các chuyên gia tiếp tục hoàn thiện các phương thức chế tạo cũng như tìm kiếm vật liệu mới cho transitor nhằm rút nhỏ hơn nữa kích cỡ của transistor. Theo sự dự đoán của ITRS dựa trên các công trình nghiên cứu khoa học và tiến bộ trong quy trình sản xuất, kích cỡ của transistor sẽ là 7 nm vào năm 2018. Kích cỡ này theo đúng định luật Moore. Như thế, độ nhỏ nào sẽ là tận cùng của transistor? Phân tử là phần nhỏ nhất của vật chất, vì vậy độ nhỏ tận cùng sẽ là kích cỡ của một phân tử. Nói khác hơn phân tử sẽ được sử dụng như cổng transistor có thể cho đóng hoặc mở dòng điện tùy vào điện áp. Độ lớn trung bình của một nguyên tử là 0,1 nm (hay là 1 Angstrom). Một phân tử là cấu tạo của ít nhất 2 nguyên tử, như vậy trên lý thuyết người ta có thể thiết kế một transistor có độ nhỏ tận cùng là 0,2 nm. Nếu dùng tinh thể silicon thì độ tận cùng sẽ là 0,3 nm. Năm 2003, các nhà khoa học của công ty NEC (Nhật Bản) đã đạt đến transistor 5 nm lớn hơn độ tận cùng 17 lần [1,3] . Hơn nửa thế kỷ qua, transistor được thu nhỏ hàng chục triệu lần từ centimet đến nanomét, liệu các nhà khoa học có thể tiếp tục thu nhỏ thêm 17 lần tiến đến kích cỡ một phân tử? Hơn nửa thế kỷ qua, việc thu nhỏ transistor đã diễn ra khá thuận lợi vì chúng ta vẫn còn nằm trong phạm vi các quy luật của thế giới vĩ mô mà các kỹ sư điện tử đã tận dụng chúng một cách hiệu quả trong việc triển khai phương thức sản xuất. Thế giới vi mô bị chi phối bởi cơ học lượng tử với những quy luật phản trực giác mà ta không thấy ở thế giới vĩ mô đời thường. Chẳng hạn, tính chất nhị nguyên vừa sóng vừa hạt của vật chất, hay nguyên lý bất định của Heisenberg
sẽ là những điều kiện quyết định cho việc thiết kế một transistor dần dần tiến về kích cỡ một phân tử. Sự di chuyển của dòng điện, hay nói khác hơn dòng chảy của electron trong một mạch điện là một hiện tượng vĩ mô giống như dòng nước như đã so sánh ở trên. Electron trong ý nghĩa này là hạt. Như dòng nước, khi có một bức tường chắn ngang dòng electron sẽ bị ngăn lại. Cái cổng transistor là một bức tường đóng mở đối vớì dòng electron. Tuy nhiên, khi cái cổng trở nên quá nhỏ hẹp electron không còn hành xử như hạt mà sẽ là sóng thoải mái đi xuyên qua cổng như một bóng ma. Nhà vật lý Pháp de Broglie cho biết đối với một vật chất cực nhỏ như electron, khi bị đặt trong một không gian cực nhỏ thì đặc tính sóng sẽ hiện rõ và là tác nhân chi phối trong mọi tình huống. Như vậy, cổng đóng nhưng electron vẫn đi qua dưới dạng sóng, dòng điện vẫn ngang nhiên chảy, ta bị rò điện bởi tác động lượng tử, như một vòi nước bị rỉ, tác dụng đóng mở không còn hiệu nghiệm, transistor không còn là transistor. Bước sóng của một electron di chuyển giữa điện áp 1 -2 V trong một transistor là 1 nm (Phụ lục c). Vì vậy kích cỡ của transistor phải lớn hơn 1 nm, nếu nhỏ hơn electron sẽ hành xử như sóng đi xuyên qua cổng dù cổng đóng hay mở. Trong cuộc chinh phục đỉnh cao "thu nhỏ" của công nghiệp điện tử, các nhà nghiên cứu tìm thấy vận may với chất bán dẫn silicon vô cùng hào phóng. Họ cũng đã và đang tạo ra những bước đột phá kết hợp kiến thức đa ngành để hoàn thiện phương pháp khắc li-tô. Nhưng ta lại dễ dàng quên đi chức năng của yếu tố thứ ba nhưng rất quan trọng; đó là độ nhỏ của electron. Electron chạy dọc theo những đường dẫn điện trong chip như những chiếc xe ngược xuôi trên đường phố của một thành phố lớn với nhiều ngõ ngách phức tạp. Electron là một nhân tố kiểm soát các chức năng của linh kiện điện tử, sự vận hành của bộ nhớ và bộ xử lý của máy tính. Sự thu nhỏ được thực hiện suôn sẻ là nhờ vào kích thước cực kỳ nhỏ của electron. Đường kính của electron là 5,6 x 10-15 m, một phần triệu tỉ lần của mét. Giả dụ ta có thể thu nhỏ transistor, đường dây tải đến 1 nm; kích cỡ này vẫn còn to hơn electron 1 triệu lần. Nhờ vậy, ta có thể thiết kế mọi linh kiện, đường dây tải đến cấp 1 nanomét, tức là tương đương với độ lớn của 10 nguyên tử, nhưng vẫn còn chỗ rộng rãi cho electron dập dìu qua lại.
Tuy nhiên, như đã đề cập ở trên dòng electron đó khi di chuyển không xuôi chèo mát mái mà thường va chạm vào nguyên tử của môi trường xung quanh. Trong sợi dây đồng, electron chạm vào nguyên tử đồng và trong transistor nó cũng chạm vào mạng lưới của tinh thể silicon. Sự va chạm này sinh nhiệt. Và khi khoảng không gian di động càng bị thu hẹp theo sự thu nhỏ thì va chạm càng nhiều sự phát nhiệt càng to và cuối cùng mạch điện sẽ bị phá vỡ. Chiếc quạt gió, bộ phận làm lạnh hay vật liệu có hằng số điện môi cao chỉ mang tới thị trường điện tử một biện pháp trị liệu nhất thời. Trên con đường cải thiện hiệu năng của chip, đây chỉ là những trạm dừng chân và chưa phải là tột đỉnh của vinh quang. Như vậy, nếu ta phủi tay vứt bỏ những sợi dây đồng, transistor, và cả electron thì sự phát nhiệt không còn là nỗi lo âu và ta có thể thiết kế một máy tính với tốc độ ứng đáp và xử lý siêu việt. Có thật sự khả thi không? Ta hãy nhìn vào tương lai... 3. …Và tương lai Chiếc transistor mà hơn nửa thế kỷ trước kia đã được Brattain mô tả là không to hơn đầu dây giày và ta có thể dễ dàng nắm hốt vài trăm chiếc trong lòng bàn tay giờ đây đã biến mất trước con mắt trần tục của ta vì quá nhỏ. Và nếu ta có thể nắm được chúng trong lòng bàn tay thì cũng có thể vài tỉ chiếc. Cũng như Thomas Edison phát minh ra bóng đèn điện, có lẽ không quá lời khi nói Bardeen – Brattain – Shockley và Kilby – Noyce là những nhân vật kiệt xuất rất hiếm hoi trong lịch sử khoa học làm nên một cuộc cách mạng công nghệ để lại một dấu ấn sâu sắc có ảnh hưởng lâu dài đến bộ mặt của xã hội loài người. Nhưng đây là lịch sử và xã hội hôm nay có những đòi hỏi cao hơn. "Tốc độ xử lý" là một đòi hỏi liên tục như con hổ háo ăn của giới tiêu thụ và cũng là miếng mồi ngon của người sản xuất. Chip hiện nay có tốc độ xử lý hằng trăm triệu hay hằng tỉ mệnh lệnh (instruction) trong một giây. Nó liên quan đến tốc độ chuyển hoán nhị phân giữa hai số 1 và 0 của transistor, hay nói một cách cơ bản hơn là vận tốc di chuyển của electron trong đường dây dẫn và transistor. Transitor silicon đã đụng vào một giới hạn vật lý và vận tốc electron trong kim loại chỉ có thể
đạt đến 1.400 km/s (Phụ lục d). Cực nhanh nhưng người ta muốn nhanh hơn nữa. Có phải đã đến lúc cặp bài trùng "silicon và electron" hoàn thành nhiệm vụ của mình và phải rũ áo từ quan? Dù đứng trước những đòi hỏi về tốc độ và thu nhỏ, nhiều chuyên gia dự đoán rằng cặp "silicon và electron" vẫn thống trị các máy điện tử trong vài thập niên tới. Nhìn vào bảng phân loại tuần hoàn có lẽ không có nguyên tố nào hào phóng hơn silicon trước nhu cầu của con người và đổi lại nó cũng được loài người dành cho sự ưu ái hơn nửa thế kỷ qua. Phải nói là silicon là một vật liệu nano chân chính và phương pháp li-tô chế tạo mạch tích hợp là một công nghệ nano tiêu biểu. Tri thức về transistor silicon và li-tô trở thành kho tàng vô giá cho công nghiệp điện tử mà chúng ta không thể nào một sớm một chiều phũ phàng vứt nó ra đi! Tham vọng về "tốc độ" của con người quả là vô hạn nhưng nó phải dừng ở một con số tuyệt đối. Con số này chẳng qua là vận tốc ánh sáng (300.000 km/s). Vận tốc electron trong transistor (1.400 km/s) chỉ bằng 0,5 % vận tốc ánh sáng. Như thế, tại sao ta không thay thế electron bằng photon (quang tử) cho việc xử lý dữ liệu trong máy tính? Vấn đề thực sự không đơn giản. Photon là phương tiện hữu hiệu để chuyển tải thông tin như ta thấy những hệ thống cáp quang dài hàng chục ngàn cây số xuyên qua lòng đại dương phục vụ ngành viễn thông, trong khi electron là phương tiện điều khiển và xử lý thông tin của bộ nhớ và bộ vi xử lý. Trong ý nghĩa này photon là nô lệ và electron là vua. Có một ngày nào nô lệ thành vua và vua hiện tại sẽ chìm vào lịch sử? Ngày đó sẽ không còn transistor và máy tính điện tử hiện tại sẽ trở nên máy tính quang tử học. Từ đây đến tương lai quang tử học đầy thách thức là một thời kỳ chuyển tiếp đang xảy ra trước mắt với những nghiên cứu về "quang tử học silicon" (silicon photonics) nhiều sôi động và thú vị [4-5]. Các nhà khoa học đang tận dụng phương pháp li-tô để chế tạo chip quang học mà vật liệu chính vẫn là người hùng silicon hào phóng và dễ tính. Ta sẽ thấy bộ ba "silicon - electron - photon" xuất hiện trong máy tính tương lai mà chức năng của photon sẽ là sứ giả truyền dữ liệu trong các vi mạch, những đường dây đồng dẫn điện rồi đây sẽ được thay thế bằng sợi quang đẩy lùi vào bóng tối phần nào những ray rứt gây ra bởi electron và sự phát nhiệt [6].
Trong một nỗ lực khác, người ta đang nghiên cứu các loại vật liệu hữu cơ bán dẫn như polymer dẫn điện, ống than nano và graphene với một ước mơ là chúng có thể thay thế silicon trong transistor có một độ nhỏ vượt qua mức giới hạn của silicon. Và xa xa trên đường chân trời nghiên cứu khoa học, vi tính lượng tử (quantum computing) đang le lói như những tia nắng bình minh xuyên thủng màn đêm mở đầu một ngày mới dựa trên những nguyên tắc kỳ bí gần như ma quái của cơ học lượng tử. Tất cả mọi nỗ lực nghiên cứu này đều nhắm đến việc giải quyết cái khát vọng tột cùng của con người: tốc độ.