Bao giờ quy luật Moore đến giới hạn?

Càng nhiều transistor tích hợp trên chip, khả năng xử lý của máy tính càng mạnh. Các bóng bán dẫn càng gần nhau thì khả năng truyền tín hiệu càng cao. Trong khi đó, các nhà nghiên cứu không ngừng chèn thêm linh kiện vào bộ xử lý. Nhưng quá trình này không thể kéo dài bất tận.

Năm 1965, Gordon Moore, đồng sáng lập hãng Intel, đưa ra tuyên bố nổi tiếng được gọi là “Quy luật Moore”: Số lượng bóng bán dẫn trên một chip sẽ liên tục tăng gấp đôi trong chu kỳ từ 18 đến 24 tháng. Trong 40 năm tiếp sau đó, lượng transistor đã tăng từ 2.300 lên 55 triệu và luật Moore tiếp tục chứng minh chân lý của nó. “Xét về nhiều mặt, chúng ta vẫn còn trong giai đoạn trứng nước của lĩnh vực vi xử lý”, Gordon Moore nói. “Còn rất nhiều điều mà ta có thể làm để chip mạnh hơn”.

Trong một chu trình giống như thuật in đá (lithography) khi chế tạo chip, các mạch điện được khắc axit lên silicon bằng cách chiếu ánh sáng qua một tấm màn. Cùng với việc cải tiến phương pháp sử dụng những bước sóng ngắn của ánh sáng, người ta có thể chế tạo những vi mạch ngày càng tinh xảo.

Tuy nhiên, theo tiến sĩ Dave Watson của hãng IBM, có một số khó khăn trong việc tiếp tục cải thiện hơn nữa quá trình nói trên và người ta đang bắt đầu chuyển sang sử dụng những bước sóng ánh sáng khác nhau, thay thế ánh sáng hiển thị thực bằng tia cực tím. Điều này cho phép ta sử dụng những bước sóng ngày càng ngắn hơn và nhờ đó có thể gắn thêm những linh kiện bé hơn nữa vào các bó vi mạch.

Mặc dù vậy, kể cả khi người ta có thể liên tục tinh xảo hóa quá trình lithography nói trên thì thách thức lớn nhất vẫn là nhiệt lượng tỏa ra khi chip trở nên quá nóng. “Các bộ vi xử lý tiêu thụ nhiều năng lượng hơn mức chúng thực tế cần để hoạt động và vì thế phát ra nhiệt lượng cao. Nguyên nhân chính là mật độ quá đông các linh kiện được gắn trên nó”, Watson nói. “Sẽ đến một giai đoạn khi mà bạn không thể khai thác sức mạnh toàn bộ các thành phần của chip cùng một lúc mà chỉ có thể dùng từng phần để giữ cho lượng nhiệt tỏa ra ở mức thấp nhất”.

Theo Watson, nếu nhìn vào công nghệ chip hiện nay, bộ phận lõi thực tế của thiết bị vi xử lý chỉ có thể dày khoảng 25 lớp nguyên tử silicon trong khi ta phải truyền điện giữa những bộ phận khác nhau. “Chính vì thế phải có hai thanh dẫn bằng đồng, ngăn cách bằng 25 lớp nguyên tử đó và các electron sẽ đơn giản nhảy từ mặt này sang mặt kia”, Watson giải thích. “Nếu càng làm nhỏ hơn nữa những yếu tố này, thì đơn giản là ta sẽ không thể kiểm soát các electron trong phạm vi một chip”.

Trước đây, các nhà phát triển thiết bị xử lý đã gặp phải những rào cản như vậy nhưng luật Moore luôn luôn đem lại một hướng đi mới để khắc phục. Sự thay đổi từ thanh dẫn bằng nhôm sang đồng trong chip cũng đồng nghĩa với việc tiết kiệm 30% năng lượng. Những loại chip cao cấp gần đây được làm từ chất gallium arsenide (Gali axênit) thay thế cho silicon thậm chí còn nâng công suất lên 40%. Tuy nhiên, kể cả khi khắc phục được vấn đề sức nóng, vật liệu mà tốc độ thì quá trình liên tục thu nhỏ cũng không thể diễn ra mãi mãi.

Nhiều chuyên gia dự báo, vào thập kỷ tới, luật Moore sẽ đạt đến giới hạn của nó và các hãng chế tạo chip sẽ không thể làm ra những dây dẫn mỏng hơn cấp độ nguyên tử. Khi đạt đến ngưỡng đó, nếu chúng ta vẫn muốn tăng cường sức mạnh cho thiết bị xử lý thì các nhà khoa học sẽ phải tiến hành một hướng đi khác.

Hiện nay, một trong những giải pháp được nhắc đến nhiều nhất chính là công nghệ lượng tử (quantum). Trong một máy tính quantum, dữ liệu được xử lý bằng cách khai thác những thuộc tính vật lý đặc biệt của lượng tử và các thành phần tính toán sẽ không phải là transistor mà là những nguyên tử được “bẫy”.

“Sự khác biệt giữa điện toán lượng tử và máy tính truyền thống là: trong cơ chế computer hiện nay, chúng ta xử lý các bit dữ liệu, mà tại một thời điểm nhất định, có thể là số 1 hoặc 0. Còn trong công nghệ lượng tử, chúng ta dùng đơn vị Qubit”, Giáo sư Andrew Briggs thuộc ngành vật liệu nano của đại học Oxford (Anh), giải thích. “Cái khác chính là mỗi Qubit biểu thị 1 hoặc 0 cùng một lúc. Ích lợi mà nó đem lại là chúng ta có thể áp dụng nhiều giải pháp khác nhau đồng thời cho một vấn đề”. Tổ hợp Qubit sẽ được thiết lập bằng cách sắp hàng những nguyên tử bị bẫy. Thay vì phải tìm ra một câu trả lời cụ thể cho một vấn đề, nhóm Qubit sẽ xác định tất cả những giải đáp khả thi với ít bước xử lý hơn nhiều so với điện toán truyền thống.

Tất nhiên, máy tính lượng tử có thể là một thứ quá phù phiếm hoặc xa xỉ đối với những ứng dụng bình thường như xử lý văn bản hay gửi e-mail. Song, đối với những nhiệm vụ đòi hỏi nhiều sức mạnh tính toán hơn cả những gì Luật Moore có thể chứng minh, thì lượng tử có vẻ là viễn cảnh khả dĩ nhất.

Phan Khương từ http://vnexpress.net/Vietnam/Vi-tinh/2004/07/3B9D4E47/

Bao giờ quy luật Moore đến giới hạn?