Bóng bán dẫn - 60 năm ra đời & phát triển Hơn 30 triệu bóng bán dẫn (transistor) 45nm có thể nằm gọn trong một chiếc đầu kim Xét về khía cạnh trợ giúp những phát minh và công nghệ thì không có một phát minh nào quan trọng hơn chiếc bóng bán dẫn (transistor) được tạo ra từ 60 năm trước tại Bell Labs. Gần như mọi thiết bị điện tử mà chúng ta biết hiện nay sẽ không tồn tại nếu không có sự ra đời của bóng bán dẫn. Bóngbándẫnlànhững thành phần chínhcủa cácbộ vi xử lý,mộtthiếtbị cần thiết trongnhiều sản phẩm mà chúngta sử dụng hàng ngày như tivi, xe hơi, radio, thiết bị y tế, các thiết bị điện tử, máy tính và cả nhữngcon tàu vũ trụ nữa. Hãy làm một so sánh nhỏ để thấy được sự phát triển vượt bậc của bóng bán dẫn trong 60 năm qua. Chiếc đài bán dẫn đầu tiên chỉ có 4 bóng bán dẫn và con chip máy tính đầu tiên của Intel - bộ não của chiếc máy tính PC - chỉ chứa 2.300 bóng bán dẫn. Trong khi đó con chip mới nhất của Intel dựa trên quy trình sản xuất 45nm được giới thiệu vào tháng 11/2007 chứa tới 820 triệu bóng bán dẫn. Bóng bán dẫn - “chiếc động cơ nhỏ bé” - tương tự như là một phiên bản thu nhỏ của“chiếccôngtắcbậttắt”hỗ trợ việcxử lýthôngtin trongmộtchiếcmáytính, đã đưa chúng tavào thời đại số. Chiếc bóng bán dẫn liên tục đượccải tiến để trở nênnhỏ béhơn, nhanhhơn và có hiệu suấtsử dụngnăng lượngcao hơn sau mỗi mộtthế hệ. Các kỹ sư của Intel gần đây đã sử dụng những loại vậtliệu mới trong công thức silicon củamình cùng quy trình sản xuấtmới để tạo ra nhữngcon chip mới sáng tạo dựa trên vi kiếntrúc Intel® Core™ trong đó sử dụng nhữngmạch điện45nm mới của Intel (chúngnhỏ đến mức 300 chiếcbóng bán dẫnnhư vậy có thể được gói gọn trong một tế bào máu củacon người). Phát kiến quan trọng nhất của thế kỷ 20 Sự sáng tạora bóng bán dẫn cuối năm 1947 có thể là phát kiến quantrọng nhất của thế kỷ 20. Tất nhiên ảnhhưởng của nóđối với cuộc sống hàng ngày trongthế kỷ 20 và 21 không hề được đánh giáquá mức.“Con bọ”, theocách gọi trìu mến củanhững tay chơi đồ điện tử, đượcsử dụng lần đầu tiêntrong khuếch đạicác tín hiệuâm thanh.Chính bởi vì điều này,thiết bị xách tay vô tuyến đầu tiên của thậpniên 50 của thế kỷ trước được biết đếnnhư lànhững chiếc đài sử dụng bóng bán dẫn (đàibán dẫn).Nhưng trongdài hạn thì ứngdụng quan trọng nhấtcủa bóngbán dẫn lại là ở vai trò của một công tắc đóng mở trong mạchđiện tích hợp (IC), đượcbiết đến nhiều hơn dướidạng các con chip. Nhờ vai trò như là một công tắc bé xíu, hàng trăm triệu chiếc bóng bán dẫn cùngnằm trong những con chip cấu thành trái tim của những thiết bị điện tử mà con ngườisử dụng hàng ngày, như máy PC, máy tính xáchtay và máy chủ, điện thoạidi động,lò vi sóng,xe hơi và danh sách này là vô hạn. Trong khichiếc đài bán dẫn đầutiên chỉ sử dụng 4bóng bán dẫn, con chip mớiđược giới thiệu vào ngày 12/11vừa qua chứa tới 820triệu bóng bán dẫn. Không một con chip nàocó thể hoạt độngmà khôngcó bóng bán dẫn, và không một chiếc máy tínhnào có thể hoạt độngmà khôngcó chip, điều đó làm chobóng bán dẫn cómột vai trò không thể thiếu trong những tiến bộ công nghệ trong 60năm qua. • 2.000 chiếc bóng bán dẫn 45nm có thể nằm vừa trên bề ngangcủa một sợi tóc người. • Hơn 30 triệu bóng bán dẫn 45nmcó thể nằm gọn trongmột chiếc đầu kim. • Một bóng bán dẫn 45nm có thể bật tắttới 300 tỷ lần mỗi giây; một tia sáng chỉ đi được không đầy một phần mười inch trong khoảng thời gian cần thiết để một bóng bán dẫn 45nm bật và tắt. • Chiếc bóngbán dẫn đầu tiên được phát triển bởi Bell Labsnăm 1947 cóthể cầm được bằng tay, trong khi hàng trăm chiếc bóng bán dẫn 45nmmới của Intel có thể nằm gọn trênbề mặt của một tế bào máu. • Nếu mộtngôi nhà cũng đượcthu gọn với cùng một tốc độ thu nhỏ các bóng bán dẫn thì bạn sẽ không thể nhìn thấyngôi nhà đó nếu không sử dụng kính hiển vi. Để nhìn thấymột bóng bán d ẫ n 45nm, b ạ n c ầ n đế n m ộ t Một điều thú vị, về cơ bản bóngbán dẫn khônglàm gì nhiều hơn một công tắc bóng đèn thông thường:đó là bật hoặc tắt. Vị trí Bật củabóngbán dẫn được biểuthị bằng số ‘1’, còn vị trí Tắt được biểu thị bằngsố ‘0’. Một số lượng lớn các bóng bán dẫn phát ra cácsố 1 và số 0 mà máy tính sử dụngđể tínhtoán, xử lý ký tự, phát đĩa DVDvà hiển thị hìnhảnh. Việc phát minhra bóng bándẫn thuộcvề ba cộngsự tại Bell Lab:John Bardeen, WalterBrattain vàWilliamShockley, nhữngngười đã được trao tặng giải Nobelvề Hóa học cho phát minh của họ vào năm 1956.Cái tênbóng bán dẫn được John R. Piercenghĩ ra, đó là một nhà nghiêncứu tại Phòng thí nghiệm Bell TelephoneLaboratories nổi tiếng. Vàotháng 5/1948,ôngđã giành đượcgiải thưởng của phòngthí nghiệm về cái tênhấp dẫn chomột phát minhmới chỉ có 6 hoặc 7 tháng tuổi ở vào thời điểm đó. Thế giới là một tổ hợp của “sự dẫn nạp”(sự truyền tải của mộtđiện tích) và "những điệntrở biến đổi" hay"biến trở". Rock ’n’ roll Bardeenvà Brattainđã xây dựng thành công bóng bán dẫn tiếp xúc điểm đầu tiên vào tháng 12/1947, trong đó dòng điện trongbóng bán dẫn đượctruyền dọc theo bề mặt của chất bán dẫn điện.Bóngbán dẫn sau đó khuếch đại tínhiệu điện được chuyểnqua nó. Trong nhữnggiai đoạn ban đầu của việc sử dụng bóng bán dẫn, ứngdụng chính là để khuếch đại tínhiệu điện theomột cách thức có hiệu quả cao hơnso với việc sử dụng nhữngống chânkhông (đèn điện tử) lớn vàcồngkềnh được sử dụng ở thời điểm đó. Để việc phát triển bóng bán dẫn có tốc độ càng caocàng tốt,Bell Labsđã quyết định cungcấp công nghệ bóng bán dẫn theobản quyền.26 công ty,bao gồm cả IBM vàGeneralElectric, đã mua giấy phép, mỗi công ty trả 25.000 USD. Nhưng để công nghệ bóng bán dẫn trở nên thành côngvề mặt kinh doanh,nó sẽ phảithu hút được sự quan tâm của số đông. Nhờ chiếc đài bán dẫn, điều đó đã trở thành sự thực.Mô hình đầu tiên của chiếc đài bán dẫn được giới thiệu vào tháng 10/1954 chứa 4chiếc bóng bán dẫn. Chiếc đài bán dẫn xách tay có nghĩalà con người có thể nghe đượcâm nhạc và thôngtin ở bất cứ đâu.Nhờ khả năng có thể xách di chuyển của chiếc đài, mộtcuộc cách mạng về âm nhạc đã ra đời - nhạc rock ‘n’roll. Mạch tích hợp Vào cuối thập kỷ 50, bóngbán dẫn đã tìm đượccon đường để đến với đài thu thanh,máy điện thoại và máy tính.Và mặc dù chúngđã nhỏ hơn nhiềuso với các đèn điện tử, chúng vẫn chưa đủ nhỏ cho một thế hệ mới của các thiết bị điện tử. Do đó, một phát minhthứ hailà cần thiết để cung cấp năng lực tínhtoán nhị phân lớn của nhữngbóng bán dẫn độclập trong khibiến chúng trở nên phù hợp vớisản xuấtsố lượnglớn ở mức chi phí thấphơn bao giờ hết. Năm 1958,Jack Kilby (công ty TexasInstruments) và Robert Noyce (công ty FairchildSemiconductor,người sauđó đã thamgia đồng sáng lậpcông ty Intel) đã khámphá về số lượng bóngbán dẫnlớn nhất có thể đượctích hợpbên trong của một mạch tích hợp (IC haychip). Đó là một bướctiến đáng kể so với tình huống trong đó nhữngphần tử độc lập phải được tích hợp bằngtay. Các con chip cóhai ưu điểm:chi phí thấp hơn và hiệu năngcao hơn. Cả hai ưu điểmnày đều là kết quả của nhữngsự thu nhỏ đáng kể,và còn tạo ramột sự năng động lớn trong quy trình sản xuất. Gordon Moore,ngườimà vào năm1968 đã đồng sánglập ra côngty chip khổnglồ Intel cùng với Noyce, đã đưara một dự báo trongmột bài đang trêncuốn tạp chí đượcxuất bản vào năm 1965được biết đến như là “Định luật Moore”. Định luật nàydự báo rằng số lượng bóng bán dẫn trên mộtcon chip cóthể tăng gấp đôi sau mỗi hai năm,điều đó cũng mang lại sự tăng trưởng về công suất xử lý. Rất nhiều linhkiện nhỏ, tấtcả đều đượcsắp xếp trên mộtbề mặt nhỏ, được chứng minh là yếu tố quyết định đối với sự đột phá của chip. Các nhà sản xuất chip đã và đang cóthể duytrì sự tăng trưởngtheo hàm mũ này tronghơn 40 năm qua. Con chipmáy tính đầu tiên của Intel,con chip 4004 được sản xuấtvào năm 1971,chứa 2.300 bóng bán dẫn.Tới năm 1989,con chip i486 chứa 1.200.000 bóngbán dẫnvà vào năm 2000,con chipPentiumđạt tới con số 42 triệu.Con chip 45nmmới củaIntel chứa tổngsố 820triệu bóng bán dẫn (transistor). "Đùa giỡn" với nguyên tử Sự kết thúc củaĐịnh luật Moore đã được dự báotrong rất nhiều tình huống. Theo định nghĩa, không có sự tăng trưởng theo hàm mũ nào là mãi mãi - tuy vậy các nhà sản xuất chip dườngnhư luôn tìm một cáchthức để duy trì sự “mãi mãi”. Tháng 12năm ngoái, GordonMoore dự báo rằng định luật củaông sẽ vẫn còn đúngtrong vòng tối thiểu là từ 10 đến 15 năm nữa- đó là khinhững rào cản cơ bản có thể xuất hiện và buộcđịnhluật của ông phải giậm chân tạichỗ. Nhưngđôi khi dườngnhư là định luật nổitiếng nhất trong thế giới điện toán cũngcó thể gặp khókhăn để có thể duy trì sự đúng đắntrong thế kỷ 21. Để duy trì sự tăng trưởng theo hàm mũ đã đượcphát biểu bởi định luật Moore,các bóng bán dẫn cần phảithu nhỏ đimột nửa sau xấp xỉ 24 tháng."Trận chiến"thu nhỏ này đã đẩymột bộ phận quantrọng của bóng bán dẫn đến giới hạn của mình: đó làphầnđiôxit silic(SiO2) đóngvai trò củamột lớpcáchđiện giữa cực cổng vàcực máng nơi dòngđiện chạy qua khi bóng bán dẫn được bật lên. Với mỗi một thế hệ chip mới,lớp cách điện này lại trở nên mỏnghơn - cho đến haithế hệ trước,nó chỉ còn có 1.2nm hay có độ dày là 5 nguyên tử.Các kỹ sư của Intel không còn cóthể "bào mỏng"thêm bất kỳ một nguyên tử nào nữa. Khi lớp cách điện trở nên mỏnghơn thì dòngrò xuấthiện.Nó giống như là một vòi nước bị nhỏ giọt: lớp cách điện bắt đầulàm rò rỉ dòng điệnvào trong bóng bán dẫn. Điềuđó làm chobóng bán dẫn ứng xử hoàn toànkhác, tiêu tán ra một lượng năng lượng lớn hơn.Kết quả là: con chip tiêu thụ nhiều điện năng hơn, phát ra mộtlượng nhiệt lớn trong khihoạt động. Giới hạn cơ bản Bóng bán dẫn bị ròđiện là thách thức lớnnhất đốivới ngành côngnghiệp bán dẫn: nếu khôngcó sự đột phá lớn nào,họ cóthể bị dồnđến một giới hạn cơ bản đã đượcdự báo từ lâu. Điều đó không chỉ hàm ý sự kết thúc của định luật Mooremà nó còn đedọa việc đưa cuộccáchmạng số của những thập kỷ trước đây đến một sự dừng lạiđột ngột. Cáccon chip máy tính có hiệu năng đượctăng gấp đôi saumỗi chu kỳ 24 tháng sẽ trở thành những điều của quá khứ. Giải phápcho cuộckhủnghoảng được tìmra bởi việc làm cho lớp cách điện mỏnghơn. Điều chỉ đượcminh chứnglà có thể bằng việc sảnxuất lớp cáchđiện đó bằngmột loại vật liệu khác- có chứa số lượng nguyên tử nhiềuhơn. Vào tháng1/2007, Intel đã công bố rằng lần đầutiên sau 40năm, lớp cách điện sẽ khôngcòn được chế tạo từ điôxit silic nữa mà là bằngHafnium, một kim loại màu xám bạccó nhữngđặc tính điện tốt hơn và cắtgiảm được dòngrò tới 10 lần. Bản thân GordonMoore đã gọi sự đột phánày là “sự thay đổiquan trọng nhất về công nghệ bóng bán dẫn kể từ cuối thập kỷ 60". Nhưng đột phá này mới chỉ là một nửacủa giải pháp. Loạivật liệu mớicho thấylà nó không tươngthích với một bộ phận quan trọng kháccủa bóng bán dẫn là cựccổng.Tệ hơn nữa lànhững bóngbán dẫn đầu tiên sử dụngloại vật liệu cách điện mới còn hoạt độngkém hiệu quả hơn cả nhữngbóngbán dẫn cũ. Câu trả lời được tìm thấy trong việcsử dụng một loại vật liệu mới cho cực cổng: mộttổ hợp bí mật,độc đáocủa các kim loại màIntel đangxem là một bí mật đượcbảo vệ nghiêm ngặt. Vào ngày 12/11/2007, Intelđã giới thiệu một thế hệ mới của nhữngcon chip sử dụng nhữngloại vậtliệu mới này vàdựa trên quytrình sản xuất 45nm.So với quytrình 65nmtrước đây,quy trình sảnxuất nhỏ hơn này cho phép Intelgần như tăng gấp đôi số lượng bóngbán dẫn trên cùngmột diện tíchbề mặt, cho phép công ty lựa chọngiữa việc tăng tổng số bóng bán dẫn hoặclàm ra những con chip nhỏ hơn. Vì nhữngbóngbán dẫn 45nmnhỏ hơn so với thế hệ trước, chúngchỉ yêu cầu mức năng lượng nhỏ hơn 30% để bật và tắt. Trongnhững thập kỷ vừa qua, bóngbán dẫn và chipđã liên tục manglại công suất xử lý lớn hơn với mức chi phí thấphơn. Điều đó đã minhchứng động cơ cuối cùng cho việc tự động hóa nền kinh tế toàn cầu. Nhưng con chip và máy tính vẫn còn cả một quãng đườngdài phía trước. Theothời gian,máy tính đã phát triển thành một côngcụ thi hành tuyệt vời những mệnhlệnh do con người đưa ra. Nó in ra những bứcthư, gửi e-mail,xử lý những tác vụ tínhtoán trong bảng tínhvà phát các bộ phim.Trong tương lai, máy tính được kỳ vọnglà sẽ trở thành nhữngcố vấn cho con người; nó sẽ họctừ nhữngứng xử của chúng ta và thích ứng bản thân nó một cách phùhợp. Nhữngbước dự định đầu tiên theo hướngnày có thể được nhìn thấytrên nhữngtrang weblấy người tiêu dùng làm trung tâmnhư là Amazon và iTunes.Chúng đưa ranhững khuyến nghị cho người tiêu dùngvề nhữngnội dung mua sắm khácdựa trên ứng xử mua hàng của chính ngườitiêu dùng. Công suất tính toán ngàycàng cao là kết quả của định luật Moorecũngcho phép loài người giải quyết nhữngvấn đề của thời đại có tầm ảnh hưởng lớn hơn như khí hậu, bệnh tật (di truyền), chăm sóc sứckhỏe với giácả hợp lý, làm sáng tỏ những bímật về gen. Nhữngvấn đề đó đangđược nghiên cứu hiện nay làkhông thể tưởng tượngđược ở vào thời điểm 5 năm về trước. Các ứng dụng này làm thay đổi cuộcsống và duytrì cuộc sống.Công suất xử lý càng cao trongcác máy tính và chip thì nhữngkết quả của những nghiên cứu này càng lớnvà là hết sứccần thiết đối với loài người. Một thập kỷ mới của định luật Moore đã hiện ra. . Bóng bán dẫn - 60 năm ra đời & phát triển Hơn 30 triệu bóng bán dẫn (transistor) 45nm có thể nằm gọn trong một chiếc đầu kim Xét về khía cạnh trợ giúp những phát minh và công. được sự phát triển vượt bậc của bóng bán dẫn trong 60 năm qua. Chiếc đài bán dẫn đầu tiên chỉ có 4 bóng bán dẫn và con chip máy tính đầu tiên của Intel - bộ não của chiếc máy tính PC - chỉ chứa. cần thiết để một bóng bán dẫn 45nm bật và tắt. • Chiếc bóngbán dẫn đầu tiên được phát triển bởi Bell Labsnăm 1947 cóthể cầm được bằng tay, trong khi hàng trăm chiếc bóng bán dẫn 45nmmới của Intel có