Lịch sử của Chip - vi mạch tích hợp doc

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 coicác cỗ máy hiệnđại ngày nay như một thựcthể sống thìnhữngcon Chipbé nhỏ chínhlà các tế bào góp phần nuôi dưỡng và duy trìsự sống chocác cỗ máy này. Bài viết dướiđây sẽ cho chúng ta được biếtthêm về lịch sử hìnhthành vàphát triển của những con Chip đầu tiêncủa nhânloại. Năm 1947,J. Bardeen & W.Brattain(AT&T Bell Lab., USA)phát minhra "Point Contact Transistor"- đây là một đột phá trong nỗ lực tìmra thiết bị mới thaycho ống chân không. Dòng điện vào (bên tráihình tam giác) đượctruyền qua lớp dẫn điện trên bề mặt bản Germaniumvà đượckhuyếch đại thành dòng ra (bên phải hìnhtamgiác). Sở dĩ thiết bị khuyếch đại dòng điệnnày cótên là TRANSISTOR vì nó là một loại điện trở (Resistor) hay bán dẫn có khả năngtruyền điện (TRANSfer). transistor Năm 1950,W. Shockley (AT&T Bell Lab,USA) phátminh ratransistor kiểu tiếp hợp. Đâylà mô hình đầu tiêncủa loại bipolartransitor saunày. transistor Năm 1958,J. Kilby (TexasInstruments, Mỹ) phát minhra mạchIC đầu tiên, mở đầu cho thờikỳ hoàngkim của vi điện tử. Điểm quan trọngtrong phát minh của Kilby là ở ý tưởngvề việc tích hợp cácthiết bị điện tử (điện trở,transistor, condenser) lên trên bề mặt tấm silicon. Năm 1959,J. Hoernivà R. Noyce (Fairchild,Mỹ) thànhcông 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 5điện trở) trên mặt silicon. Năm 1970,G E.Smith và W S. Boyle(AT&TBell Lab.,USA) tạo ramạch CCD 8-bit. CCD 8-bit Năm 2004,công tyIntel(Mỹ) chế tạo chipPentium 4với trên42 triệu con transistor. Pentium4 Năm 2005,ê kíp liên kết giữa IBM,Sony, Sony ComputerEntertainment,và Toshiba giới thiệu chip CELLđa lõi (multi-core), hoạt động ở tốc độ 4 GHz, đạt tốc độ xử lý lên tới 256Gflop. Chưa đầy 50 nămkể từ ngày Kilby đề xuất ra ý tưởngvề IC, ngànhcôngnghệ vi mạch đã đạt được những thành tựurực rỡ. Sự tăng trưởng ở tốc độ chóng mặt của ngành côngnghệ vi mạch là chìa khóa quantrọng bậc nhất trong cuộc cách mạng côngnghệ thông tin hiện nay. 1. Một bước ngoặt quan trọng Phát nhiệt từ các mạch tích hợp là một vấn đề quan trọng hàngđầu của các kỹ sư thiết kế. Thoạtnghe ta tưởng như chuyện đơn thuần. Nếu cóphát nhiệt thì tagiảm nhiệt. Nhưng, giảm nhiệt trong một siêu vimạch khôngđơn giản và nếu việc giảm nhiệt được diễnra thuận lợi thì có lẽ chiếc máy tínhngày nayđã tiến rất xa vàtinh vi hơn chiếc máy tính chúngta 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 độngcủa mạch và tiêu hao nhiềunăng lượng.Cácchuyêngia dự đoán nếu số transistortrongmột chip và tốc độ xử lý gia tăng nhưng không có một biện pháp giảm nhiệt thỏađángthì chip có thể dễ dàng tiêuhao 10 kWnăng lượng và phátnhiệt lượng 1000 W/cm2, tương đương với 10bóng đèn 100 Wtừ một khoảnh diện tích 1 cm2 [1]. Sự tăng nhiệt nếu không được kiềm chế cứ thế gia tăng (thermalrunaway) dễ dàng đưa đến việc cháy máy. Để đối phó, họ dùngtất cả mọiphương tiện từ công nghệ "thấp" như chiếc quạt gió đến công nghệ caonhư cải thiện vật liệu transitorvà cấu trúc mạch tích hợpnhư đượcđề cập ở phần sau. Giải quyết vấn đề phátnhiệt cấp bách và quan trọngđến mức việc chế tạo những chiếc quạt gió, bộ phận tiêu nhiệt(heat sink)hay làm lạnh (refrigerator) bằng hiệu ứng nhiệt điện (thermoelectriceffect) để phát tán nhiệt từ chip của máy vi tính hoặc laptoptrở thànhmột ngànhquan trọng trong công nghiệp điện tử. Tuy nhiên, những công cụ này chỉ có thể làm nguội nhiều lắm một nguồnnhiệt 100watt. Vì vậy, quạt gió và bộ tiêu nhiệt khôngphải là cách giảiquyết triệt để. Sự phátnhiệt phần lớn xảy ra tại cổng transistor vì lớpcách điện SiO2 quámỏng gây ra ròđiện. Silicon dioxide(SiO2)là chất oxide truyền thốnglàm cổng transistor. Silicon là chất bán dẫn nhưngSiO2 là chấtcách điện. Bằngsự thông minh củamìnhcon người tận dụngsự ưu đãi của thiên nhiên mộtcách hoàn hảo. Thiênnhiên đã cho ta silicon, bây giờ ta cần một lớpmỏng chất cách điện thì tại sao lại không lợi dụng sự cách điện của SiO2.Ta cần lớp SiO2cách điệnđể cách ly cổng ra ngoài ảnh hưởngcủa hai điện cực máng và nguồn. Đây là mộtyêu cầutất yếu nên từ nhiềunăm qua người ta nghiên cứu và hiểu rất rõ lýtính củalớp phủ cực mỏngSiO2ở tận kích thước Angstrom (hay là 1/10 nanomét = 10-10m) [2]. Việc tạo ra một lớp SiO2 trên mặtsilicon cókích thướcvài nanomét bằng cách oxid hóa siliconở nhiệt độ cao là một khâu quan trọng trongphươngpháp li-tô quang. Ta chỉ cần xử lý nhiệt silicon trong môi trường oxygenthì một lớp SiO2 mịn màng sẽ mọc lên. Bằng phươngpháp li-tô,ta tạo ra những môdạng SiO2thích hợp bằng cách dùngacid để tẩy đinhững phần khôngcần thiết. Sự đóng góp của lớp SiO2 cũng quantrọngkhông kém silicon trong công nghiệp điện tử nhưng sự thu nhỏ transistor khiếncho lớp SiO2phải làm mỏng hơn và đây là một trong những nguyênnhânrò điện gây nhiệt làm tiêuhao năng lượng. Các nhà nghiên cứu nhắm vào việc cải thiện vật liệuđể giải quyết tận gốcvấn đề phátnhiệt và rò điện. Để chế ngự việc phát nhiệt,người taphải thay thế SiO2 bằng một loại oxidekhác có hằngsố điện môi (kýhiệuk) cao, còn gọi là chất cách điện có độ k cao (high-k dielectric).Từ thập niên90 của thế kỷ trước, các kỹ sư thiết kế transistor và các nhà vậtliệu học đã nghiên cứu nhiều loại oxide cóhằng số điện môicao để thay thế SiO2 [2]. Cuối cùng,hai công tyIntelvà IBM đã phá tung những trói buộccủa SiO2 bằng cách chọn hafnium dioxide (HfO2) làmvật liệu cho cổng transistor,và vào năm 2007lần đầu tiên Intel tungra thị trường chipPenryn to 45 nmchứa410 triệutransistor trênmột diện tích vài cm2. Theo luồng chế biến này, transistor sẽ tiến đến16 nm vàchip sẽ vượt qua 1 tỉ chiếc trong cùng một diện tíchvào năm 2018. Hằng số điện môi cao làm chotransistorduy trì được cường độ dòng điện cần thiết điqua transistor đồng thời ngănchặn được sự rò điện và nhờ vậy giảm thiểu sự phát nhiệt củachip (Phụ lục b).SiO2đã phục vụ con người gần nửathế kỷ và chấm dứt vai trò lịch sử của mình. HfO2 là mộtbước ngoặt quantrọngthay thế vaitrò của SiO2tiếp tục cuộc cách mạng thu nhỏ trong đó Penrynmở ra một kỷ nguyên mớicủa chipvi tính.Định luật Moore sẽ tiếptục duy trì trong mộtthậpniên kế tiếp. 2. Đâu là độ nhỏ cuối cùng? Tính thực dụng của các dụngcụ điện tử như giới tiêu thụ đã nhậnthấy từ nhiều năm quanằm trong tiêu chí "nhỏ hơn, nhanhhơn, rẻ hơn". Hằng năm, các hiệp hội công nghệ điện tử của Mỹ, Nhật Bản,Hàn Quốc, Đài Loanvà châu Âu cùngchungđề xuấtbáo cáo mang tênlà "International Technology Roadmapfor Semiconductors" (ITRS,Bản đồ hướng đi của côngnghệ quốc tế về chất bán dẫn) nói về những thành quả công nghệ, thươngphẩm, những thách thức và dự đoán hướngđi tương lai củachất bán dẫn. Báo cáo tập trung vàosự cải biến và lộ trình tươnglai của chip vitính vì máy tínhlà một dụngcụ có sự đòi hỏi cao nhấtvề chức năng và tốc độ xử lý dữ liệu. Mỗi bước thunhỏ của transistor đều ảnhhưởng sâu sắc đến những dụng cụ điện tử dẫn đếnviệc sản xuất phiên bản củađời kế tiếp. Đằngsau sự phát triển này là nhữngkhó khănnằm trongdự đoán cũng như các thách thức xuấthiện ngoàidự đoán mà ngànhcông nghệ điện tử đã phải đối đầu hơn 40năm qua. Vào những năm 70của thế kỷ trước, các chuyên gia cho rằngtransitorkhôngthể chế tạo nhỏ hơn 1 µm (= 1.000nm) dosự hạn chế của phương thức chế tạo. Trong chiếc máy vi tinh gia dụngđầu tiên đượcbán trên thị trường năm1971 là chip Intel 4004chứa 2.300 transistor vàmỗi transistor cóđộ lớn 10 µm.Phương thức li-tô được cảithiện và giới hạn độ nhỏ được đẩy lùi xuống 0.5 µm(= 500nm) ở thậpniên 80. Kinh nghiệm cũng cho thấy transistor không thể nhỏ hơn 250 nm vì sự rò điện sẽ xảy ra trong transistor. Tuynhiên, phươngphápli-tô chế tạo transistor lại được phát triển và giới hạn độ nhỏ trong nhữngnăm đầu của thập niên90 được đẩy xuống đến mức100 nm [1].Nhữngrào cảnkỹ thuật lần lượt bị chinhphục bởi sự kiên trì và thôngminh của các kỹ sư vànhà khoahọc.Lý thuyết kinh điển phải cải biên và các chuyên gia tiếp tục hoàn thiệncác phươngthức chế tạo cũngnhư tìm kiếm vật liệu mới cho transitor nhằm rútnhỏ hơnnữa kích cỡ của transistor. Theo sự dự đoán của ITRSdựa trên các côngtrình nghiên cứu khoa học và tiếnbộ trong quy trình sản xuất, kích cỡ của transistorsẽ là 7 nm vào năm 2018.Kích cỡ này theo đúng định luậtMoore. Như thế,độ nhỏ nào sẽ là tận cùng của transistor? Phân tử là phầnnhỏ nhất của vậtchất, vì vậy độ nhỏ tậncùng sẽ là kích cỡ của một phân tử. Nói khác hơnphân tử sẽ được sử dụngnhư cổng transistor có thể cho đónghoặc mở dòng điện tùy vào điện áp. Độ lớn trungbình của một nguyên tử là 0,1 nm (haylà1 Angstrom). Một phân tử là cấu tạocủa ít nhất 2 nguyên tử, như vậy trênlý thuyết người ta có thể thiết kế một transistorcó độ nhỏ tận cùnglà 0,2 nm. Nếudùng tinh thể silicon thì độ tận cùng sẽ là 0,3 nm. Năm 2003, các nhà khoa học của công ty NEC (NhậtBản) đã đạt đến transistor5 nm lớn hơn độ tận cùng 17 lần [1,3]. Hơn nửathế kỷ qua, transistor được thu nhỏ hàng chục triệu lầntừ centimet đến nanomét, liệucác nhà khoa học cóthể tiếp tục thu nhỏ thêm 17 lầntiến đếnkích cỡ một phân tử?Hơn nửa thế kỷ qua,việc thu nhỏ transistor đã diễn ra khá thuận lợi vì chúngta vẫn còn nằm trong phạm vi các quyluật của thế giới vĩ mô mà các kỹ sư điện tử đã tậndụng chúng một cách hiệu quả trong việctriển khai phương thức sảnxuất. Thế giới vi môbị chi phối bởi cơ họclượng tử vớinhững quy luật phản trực giác mà ta khôngthấyở thế giới vĩ mô đời thường.Chẳng hạn, tính chất nhị nguyên vừasóng vừa hạt củavật chất,hay nguyên lý bất định của Heisenberg sẽ là những điều kiện quyết định cho việc thiếtkế một transistordần dần tiến về kíchcỡ một phântử. Sự di chuyểncủa dòng điện, hay nói khác hơn dòng chảy của electrontrongmột mạch điện là một hiệntượng vĩ mô giống như dòng nướcnhư đã so sánh ở trên. Electrontrong ý nghĩa này là hạt.Như dòngnước, khicó một bức tường chắnngang dòngelectronsẽ bị ngăn lại. Cái cổng transistor là mộtbức tường đóng mở đối vớì dòng electron.Tuy nhiên, khicái cổng trở nên quá nhỏ hẹp electronkhôngcòn hànhxử như hạt mà sẽ là sóng thoải mái đi xuyên qua cổng như một bóng ma. Nhà vật lý Pháp de Brogliecho biết đối vớimột vậtchất cực nhỏ như electron,khi bị đặt trong một không giancực nhỏ thì đặc tínhsóng sẽ hiện rõ và là tác nhân chiphối trong mọitình huống.Như vậy, cổngđóng nhưng electron vẫn đi qua dưới dạng sóng,dòngđiện vẫn ngangnhiên chảy, ta bị rò điện bởi tác độnglượng tử,như một vòi nướcbị rỉ, tác dụng đóng mở không còn hiệu nghiệm, transistor khôngcòn là transistor.Bướcsóng của một electrondi chuyển giữa điện áp 1 -2 Vtrong một transistorlà1 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 haymở. Trongcuộc chinhphục đỉnhcao"thu nhỏ" của công nghiệpđiện tử, các nhà nghiên cứu tìm thấy vận may với chất bándẫn silicon vôcùnghào phóng. Họ cũng đã và đang tạo ra những bướcđột phákết hợpkiến thức đangành để hoàn thiện phương pháp khắc li-tô. Nhưngta lại dễ dàng quênđi chức năng củayếu tố thứ ba nhưng rất quantrọng;đó là độ nhỏ của electron.Electron chạydọc theo những đường dẫn điện trongchip như những chiếc xe ngược xuôi trên đườngphố của một thành phố lớn với nhiều ngõ ngách phứctạp. Electronlà một nhântố kiểm soát các chức năng của linh kiện điện tử,sự vận hànhcủa bộ nhớ và bộ xử lý củamáy tính. Sự thu nhỏ được thực hiện suônsẻ là nhờ vào kích thướccực kỳ nhỏ của electron. Đường kính của electronlà 5,6 x 10-15 m, một phầntriệu tỉ lần của mét. Giả dụ ta có thể thu nhỏ transistor, đường dây tải đến1 nm; kích cỡ này vẫn cònto hơn electron1 triệu lần. Nhờ vậy, ta có thể thiết kế mọi linh kiện,đường dây tải đến cấp 1nanomét,tức làtương đươngvới độ lớn của10 nguyêntử, nhưng vẫn còn chỗ rộng rãi cho electron dập dìu qua lại. Tuy nhiên, như đã đề cập ở trên dòngelectron đó khidichuyển không xuôi chèo mátmái màthường vachạmvào nguyên tử của môi trườngxung quanh. Trong sợi dây đồng,electron chạm vào nguyên tử đồng và trong transistor nó cũngchạm vào mạng lưới củatinh thể silicon. Sự vachạm nàysinh nhiệt. Và khikhoảng không gian di động càng bị thu hẹp theo sự thu nhỏ thì va chạmcàng nhiều sự phát nhiệt càng tovà cuối cùng mạch điện sẽ bị phá vỡ. Chiếc quạtgió, bộ phậnlàmlạnh hay vật liệu có hằngsố 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 vàchưa phải là tột đỉnhcủa vinhquang.Như vậy, nếu ta phủi tayvứt bỏ những sợi dây đồng, transistor, vàcả electron thì sự phát nhiệt không còn là nỗi lo âu và ta có thể thiết kế một máytính với tốc độ ứng đáp và xử lý siêu việt. Có thật sự khả thi không?Ta hãynhìn vào tương lai 3. …Và tương lai Chiếc transistor mà hơn nửathế kỷ trước kiađã được Brattain môtả là không to hơnđầu dâygiày và ta có thể dễ dàngnắm hốtvài trăm chiếc tronglòngbàn tay giờ đây đã biến mất trướccon mắt trần tụccủa ta vì quá nhỏ. Và nếu ta có thể nắm được chúng trong lòngbàn tay thì cũng cóthể vài tỉ chiếc. Cũngnhư Thomas Edisonphát minhra bóngđèn điện, có lẽ khôngquálời khinói Bardeen– Brattain– Shockley và Kilby –Noyce là những nhânvật kiệtxuất rất hiếm hoi trong lịch sử khoa học làmnên một cuộc cách mạngcông nghệ để lại mộtdấu ấn sâu sắc có ảnh hưởng lâu dài đến bộ mặt của xã hội loài người. Nhưng đây làlịch sử và xã hội hôm nay có những đòi hỏi cao hơn. "Tốc độ xử lý"là một đòi hỏiliên tụcnhư con hổ háo ăn củagiới tiêu thụ và cũng là miếng mồi ngoncủa người sản xuất. Chiphiện nay có tốc độ xử lý hằng trăm triệu hay hằng tỉ mệnh lệnh (instruction)trongmột giây. Nó liênquan đến tốc độ chuyển hoán nhị phân giữa hai số 1 và 0 của transistor,hay nói một cách cơ bản hơnlà vận tốc dichuyển của electrontrongđườngdây dẫn và transistor. Transitor silicon đã đụngvào mộtgiới hạnvật lý và vận tốcelectron trong kim loại chỉ có thể [...]... 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... 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... 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 vi c giải quyết cái khát vọng tột cùng của con người: tốc độ ... 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... thay thế electron bằng photon (quang tử) cho vi c 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 vi n 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... 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 . 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. vàtinh vi hơn chiếc máy tính chúngta đang sử dụng. Trong mạch tích hợp dày đặc những transistor cực nhỏ sự phát nhiệt đưa đến đến những bất lợi trong vi c vận hành, giảm hiệu suất hoạt độngcủa mạch. ra mạch flip-flop (với 4 transistor và 5điện trở) trên mặt silicon. Năm 1970,G E.Smith và W S. Boyle(AT&TBell Lab.,USA) tạo ramạch CCD 8-bit. CCD 8-bit Năm 2004,công tyIntel(Mỹ) chế tạo chipPentium