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/
Showing posts with label Silicon. Show all posts
Showing posts with label Silicon. Show all posts
Saturday, June 13, 2009
Công nghệ vật liệu chip đi gần đến giới hạn
Các công ty thiết bị bán dẫn sẽ sớm phải tìm ra một chất liệu thay thế tấm wafer silicon để chế tạo bộ vi xử lý nếu họ muốn duy trì nhịp độ phát triển như mong đợi.
Nhờ những bước tiến trong công nghệ sản xuất, ngành công nghiệp bán dẫn đã nâng cao được khả năng chế tạo ra những loại chip rẻ, tiêu thụ ít điện năng và công suất hoạt động mạnh hơn. Tuy nhiên, những tiến bộ này ngày càng khó đạt được khi mà thiết kế của chip ngày càng phải nhỏ hơn. Vật liệu silicon tinh khiết đang đi dần đến giới hạn.
Đây không phải là lần đầu tiên ngành bán dẫn nỗ lực tìm kiếm một phương thức cải tiến tấm silicon. Hiện tại, kỹ thuật xử lý tiên tiến nhất trong việc chế tạo chip thương mại là công nghệ 90 nanomet (nm). Việc chuyển đổi từ công nghệ 130 nm sang 90 nm đã thu hẹp con đường mà các electron đi qua, để lại ít khoảng trống hơn cho chúng di chuyển giữa các phân tử của một tấm silicon wafer. Một giải pháp cho vấn đề này là silicon kéo căng (strained).
Chất silicon căng khắc phục thách thức nói trên bằng cách làm biến dạng tinh thể silicon nhằm tăng hoạt động của chip. Ở cấp độ phân tử, các tinh thể silicon giống như một lưới nhiều phân tử được sắp xếp gọn gàng. Kéo căng lưới này bằng cách dùng một lớp hợp chất silicon-germanium mỏng trên tấm wafer sẽ tạo ra thêm không gian lưu thông cho các electron, để chúng có thể di chuyển thông suốt với ít cản trở. Kỹ thuật này giúp các transistor chuyển đổi trạng thái nhanh hơn, cải thiện hoạt động nói chung và hạ thấp tiêu hao năng lượng.
Silicon căng phù hợp với các quy trình sản xuất tiên tiến nhất hiện nay và sẽ tiếp tục được dùng làm vật chất chính trong các công nghệ 65 và 45 nm. Tuy nhiên, đối với những công nghệ cao cấp hơn nữa thì cần phải có một loại chất khác.
Vấn đề ở đây là kích thước. Khi mà công nghệ xử lý trở nên tinh xảo hơn thì khoảng cách phân biệt các đặc tính trên một chip được giảm bớt còn khả năng lưu thông tự do của các electron giữa những vùng trên chip tăng lên. Chính sự lưu thông này làm tiêu hao năng lượng và cản trở các hoạt động trên chip. Tìm ra một vật liệu phù hợp để dùng trong các quy trình xử lý chip tương lai là điều có thể những mất nhiều thời gian, sức sáng tạo và tiền của. Đó không phải một rào chắn nhỏ mà là một bức tường rất cao phải trèo qua. Tấm silicon wafer dùng để chế tạo chip.
Vì chưa có câu trả lời cho vấn đề này nên silicon sẽ tiếp tục là nền tảng vật chất để chế tạo chip trong tương lai. Tuy nhiên, những chất liệu mới sẽ phải được bổ sung vào silicon nhằm tăng thêm các thuộc tính “cách” và “dẫn” cần thiết để những loại chip thế hệ mới hoạt động tốt. Các nhà nghiên cứu cho rằng, ở cấp độ xử lý dưới 45 nm, cần phải bắt đầu nghĩ đến một sự thay đổi có tính cách mạng về vật chất.
Tìm ra chất thay thế cho các tấm silicon wafer tinh khiết không phải là vấn đề duy nhất mà ngành công nghiệp chip phải đối mặt. Một thách thức khác ở cấp độ dưới 45 nm là việc “làm sạch” chip trong quá trình sản xuất. Các lực Van der Waals (lực hấp dẫn yếu giữa các phân tử) có thể thu nhận cả những phân tử không cần thiết, chẳng hạn hấp thu cả chất Bo (boron) với phân tử silicon. Với kích thước của những loại chip dùng công nghệ dưới 45 nm thì đây sẽ là một vấn đề nghiêm trọng, chưa thể giải quyết bằng những phương pháp hiện có. Lực hấp dẫn giữa các phân tử khác nhau có thể phá hỏng chip. Các kỹ thuật làm sạch hiện nay - sử dụng nước và hóa chất - không thể chiến thắng được các lực Van der Waals.
Các công ty chế tạo chip phải mất ít nhất vài năm để giải quyết vấn đề này trước khi có thể chuyển sang quy trình 45 nm. Intel, hãng sản xuất thiết bị xử lý số 1 thế giới, có kế hoạch chế tạo chip dùng công nghệ 65 nm trong năm nay và bắt đầu chuyển sang 45 nm vào 2007. Đến năm 2009, họ sẽ dùng công nghệ 32 nm và hai năm sau đó sẽ áp dụng quy trình 22 nm.
Phan Khương từ http://www.vnexpress.net/GL/Vi-tinh/2005/03/3B9DC76C/
Nhờ những bước tiến trong công nghệ sản xuất, ngành công nghiệp bán dẫn đã nâng cao được khả năng chế tạo ra những loại chip rẻ, tiêu thụ ít điện năng và công suất hoạt động mạnh hơn. Tuy nhiên, những tiến bộ này ngày càng khó đạt được khi mà thiết kế của chip ngày càng phải nhỏ hơn. Vật liệu silicon tinh khiết đang đi dần đến giới hạn.
Đây không phải là lần đầu tiên ngành bán dẫn nỗ lực tìm kiếm một phương thức cải tiến tấm silicon. Hiện tại, kỹ thuật xử lý tiên tiến nhất trong việc chế tạo chip thương mại là công nghệ 90 nanomet (nm). Việc chuyển đổi từ công nghệ 130 nm sang 90 nm đã thu hẹp con đường mà các electron đi qua, để lại ít khoảng trống hơn cho chúng di chuyển giữa các phân tử của một tấm silicon wafer. Một giải pháp cho vấn đề này là silicon kéo căng (strained).
Chất silicon căng khắc phục thách thức nói trên bằng cách làm biến dạng tinh thể silicon nhằm tăng hoạt động của chip. Ở cấp độ phân tử, các tinh thể silicon giống như một lưới nhiều phân tử được sắp xếp gọn gàng. Kéo căng lưới này bằng cách dùng một lớp hợp chất silicon-germanium mỏng trên tấm wafer sẽ tạo ra thêm không gian lưu thông cho các electron, để chúng có thể di chuyển thông suốt với ít cản trở. Kỹ thuật này giúp các transistor chuyển đổi trạng thái nhanh hơn, cải thiện hoạt động nói chung và hạ thấp tiêu hao năng lượng.
Silicon căng phù hợp với các quy trình sản xuất tiên tiến nhất hiện nay và sẽ tiếp tục được dùng làm vật chất chính trong các công nghệ 65 và 45 nm. Tuy nhiên, đối với những công nghệ cao cấp hơn nữa thì cần phải có một loại chất khác.
Vấn đề ở đây là kích thước. Khi mà công nghệ xử lý trở nên tinh xảo hơn thì khoảng cách phân biệt các đặc tính trên một chip được giảm bớt còn khả năng lưu thông tự do của các electron giữa những vùng trên chip tăng lên. Chính sự lưu thông này làm tiêu hao năng lượng và cản trở các hoạt động trên chip. Tìm ra một vật liệu phù hợp để dùng trong các quy trình xử lý chip tương lai là điều có thể những mất nhiều thời gian, sức sáng tạo và tiền của. Đó không phải một rào chắn nhỏ mà là một bức tường rất cao phải trèo qua. Tấm silicon wafer dùng để chế tạo chip.
Vì chưa có câu trả lời cho vấn đề này nên silicon sẽ tiếp tục là nền tảng vật chất để chế tạo chip trong tương lai. Tuy nhiên, những chất liệu mới sẽ phải được bổ sung vào silicon nhằm tăng thêm các thuộc tính “cách” và “dẫn” cần thiết để những loại chip thế hệ mới hoạt động tốt. Các nhà nghiên cứu cho rằng, ở cấp độ xử lý dưới 45 nm, cần phải bắt đầu nghĩ đến một sự thay đổi có tính cách mạng về vật chất.
Tìm ra chất thay thế cho các tấm silicon wafer tinh khiết không phải là vấn đề duy nhất mà ngành công nghiệp chip phải đối mặt. Một thách thức khác ở cấp độ dưới 45 nm là việc “làm sạch” chip trong quá trình sản xuất. Các lực Van der Waals (lực hấp dẫn yếu giữa các phân tử) có thể thu nhận cả những phân tử không cần thiết, chẳng hạn hấp thu cả chất Bo (boron) với phân tử silicon. Với kích thước của những loại chip dùng công nghệ dưới 45 nm thì đây sẽ là một vấn đề nghiêm trọng, chưa thể giải quyết bằng những phương pháp hiện có. Lực hấp dẫn giữa các phân tử khác nhau có thể phá hỏng chip. Các kỹ thuật làm sạch hiện nay - sử dụng nước và hóa chất - không thể chiến thắng được các lực Van der Waals.
Các công ty chế tạo chip phải mất ít nhất vài năm để giải quyết vấn đề này trước khi có thể chuyển sang quy trình 45 nm. Intel, hãng sản xuất thiết bị xử lý số 1 thế giới, có kế hoạch chế tạo chip dùng công nghệ 65 nm trong năm nay và bắt đầu chuyển sang 45 nm vào 2007. Đến năm 2009, họ sẽ dùng công nghệ 32 nm và hai năm sau đó sẽ áp dụng quy trình 22 nm.
Phan Khương từ http://www.vnexpress.net/GL/Vi-tinh/2005/03/3B9DC76C/
Subscribe to:
Posts (Atom)
