Bóng bán dẫn – 60 năm ra đời & phát triển potx

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (118.47 KB, 8 trang )

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.
đánh giáquá mức. “ Con bọ ”, theocách gọi trìumến củanhững tay chơi đồ điện tử, đượcsử dụnglần đầu tiêntrong khuếch đạicác tín hiệuâmthanh. Chính do tại điều này, thiết bị xách tay vôtuyến tiên phong của thậpniên 50 của thế kỷ trướcđược biết đếnnhư lànhững chiếc đài sử dụngbóng bán dẫn ( đàibán dẫn ). Nhưng trongdài hạnthì ứngdụng quan trọng nhấtcủa bóngbán dẫnlại là ở vai trò của một công tắc nguồn đóng mở trongmạchđiện tích hợp ( IC ), đượcbiết đến nhiều hơndướidạng những con chip. Nhờ vai trò như thể một công tắc nguồn bé xíu, hàng trăm triệu chiếc bóng bán dẫn cùngnằmtrong những con chip cấu thành trái tim củanhững thiết bị điện tử mà con ngườisử dụnghàng ngày, như máy PC, máy tính xáchtay và máychủ, điện thoạidi động, lò vi sóng, xe hơi vàdanh sách này là vô hạn. Trong khichiếc đài bándẫn đầutiên chỉ sử dụng 4 bóng bán dẫn, con chipmớiđược trình làng vào ngày 12/11 vừa quachứa tới 820 triệu bóng bán dẫn. Không một conchip nàocó thể hoạt độngmà khôngcó bóng bándẫn, và không một chiếc máy tínhnào hoàn toàn có thể hoạtđộngmà khôngcó chip, điều đó làm chobóng bándẫn cómột vai trò không hề thiếu trong nhữngtiến bộ công nghệ tiên tiến trong 60 năm qua. • 2.000 chiếc bóng bándẫn 45 nm hoàn toàn có thể nằm vừatrên bề ngangcủa một sợitóc người. • Hơn 30 triệu bóngbán dẫn 45 nmcó thể nằmgọn trongmột chiếc đầukim. • Một bóng bán dẫn45nm hoàn toàn có thể bật tắttới 300 tỷ lần mỗi giây ; một tia sángchỉ đi được không đầy mộtphần mười inch trongkhoảng thời hạn cần thiếtđể một bóng bán dẫn 45 nmbật và tắt. • Chiếc bóngbán dẫnđầu tiên được tăng trưởng bởiBell Labsnăm 1947 cóthểcầm được bằng tay, trongkhi hàng trăm chiếc bóngbán dẫn 45 nmmới của Intelcó thể nằm gọn trênbề mặtcủa một tế bào máu. • Nếu mộtngôi nhàcũng đượcthu gọn với cùngmột vận tốc thu nhỏ những bóngbán dẫn thì bạn sẽ không thểnhìn thấyngôi nhà đó nếukhông sử dụng kính hiển vi. Để nhìn thấymột bóng bán45nm, đếMột điều mê hoặc, về cơ bản bóngbán dẫn khônglàm gì nhiều hơn một côngtắc bóng đèn thường thì : đó là bật hoặc tắt. Vị trí Bật củabóngbán dẫn đượcbiểuthị bằng số ‘ 1 ’, còn vị trí Tắt được bộc lộ bằngsố ‘ 0 ’. Một số lượng lớn cácbóng bán dẫn phát ra cácsố 1 và số 0 mà máy tính sử dụngđể tínhtoán, giải quyết và xử lý kýtự, phát đĩa DVDvà hiển thị hìnhảnh. Việc phát minhra bóng bándẫn thuộcvề ba cộngsự tại Bell Lab : JohnBardeen, WalterBrattain vàWilliamShockley, nhữngngười đã được trao tặng giảiNobelvề Hóa học cho ý tưởng của họ vào năm 1956. Cái tênbóng bán dẫn đượcJohn R. Piercenghĩ ra, đó là một nhà nghiêncứu tại Phòng thí nghiệm BellTelephoneLaboratories nổi tiếng. Vàotháng 5/1948, ôngđã giành đượcgiảithưởng của phòngthí nghiệm về cái tênhấp dẫn chomột phát minhmới chỉ có 6 hoặc 7 tháng tuổi ở vào thời gian đó. Thế giới là một tổng hợp của “ sự dẫn nạp ” ( sựtruyền tải của mộtđiện tích ) và ” những điệntrở đổi khác ” hay ” biến trở “. Rock ’ n ’ rollBardeenvà Brattainđã kiến thiết xây dựng thành công xuất sắc bóng bán dẫn tiếp xúc điểm đầutiên vào tháng 12/1947, trong đó dòng điện trongbóng bán dẫn đượctruyền dọctheo mặt phẳng của chất bán dẫn điện. Bóngbán dẫn sau đó khuếch đại tínhiệu điệnđược chuyểnqua nó. Trong nhữnggiai đoạn khởi đầu của việc sử dụng bóng bándẫn, ứngdụng chính là để khuếch đại tínhiệu điện theomột phương pháp có hiệu quảcao hơnso với việc sử dụng nhữngống chânkhông ( đèn điện tử ) lớn vàcồngkềnhđược sử dụng ở thời gian đó. Để việc tăng trưởng bóng bán dẫn có vận tốc càng caocàng tốt, Bell Labsđãquyết định cungcấp công nghệ tiên tiến bóng bán dẫn theobản quyền. 26 công ty, bao gồmcả IBM vàGeneralElectric, đã mua giấy phép, mỗi công ty trả 25.000 USD. Nhưngđể công nghệ tiên tiến bóng bán dẫn trở nên thành côngvề mặt kinh doanh thương mại, nó sẽ phảithuhút được sự chăm sóc của số đông. Nhờ chiếc đài bán dẫn, điều đó đã trở thành sựthực. Mô hình tiên phong của chiếc đài bán dẫn được trình làng vào tháng 10/1954 chứa 4 chiếc bóng bán dẫn. Chiếc đài bán dẫn xách tay có nghĩalà con người có thểnghe đượcâm nhạc và thôngtin ở bất kỳ đâu. Nhờ năng lực hoàn toàn có thể xách dichuyển của chiếc đài, mộtcuộc cách mạng về âm nhạc đã ra đời – nhạc rock ‘ n’roll. Mạch tích hợpVào cuối thập kỷ 50, bóngbán dẫn đã tìm đượccon đường để đến với đài thuthanh, máy điện thoại thông minh và máy tính. Và mặc dầu chúngđã nhỏ hơn nhiềuso với cácđèn điện tử, chúng vẫn chưa đủ nhỏ cho một thế hệ mới của những thiết bị điện tử. Dođó, một phát minhthứ hailà thiết yếu để phân phối năng lượng tínhtoán nhị phân lớncủa nhữngbóng bán dẫn độclập trong khibiến chúng trở nên tương thích vớisảnxuấtsố lượnglớn ở mức ngân sách thấphơn khi nào hết. Năm 1958, Jack Kilby ( công ty TexasInstruments ) và Robert Noyce ( công tyFairchildSemiconductor, người sauđó đã thamgia đồng sáng lậpcông ty Intel ) đãkhámphá về số lượng bóngbán dẫnlớn nhất hoàn toàn có thể đượctích hợpbên trong củamột mạch tích hợp ( IC haychip ). Đó là một bướctiến đáng kể so với tình huốngtrong đó nhữngphần tử độc lập phải được tích hợp bằngtay. Các con chip cóhai ưu điểm : ngân sách thấp hơn và hiệu năngcao hơn. Cả haiưu điểmnày đều là hiệu quả của nhữngsự thu nhỏ đáng kể, và còn tạo ramột sựnăng động lớn trong quy trình tiến độ sản xuất. Gordon Moore, ngườimà vào năm1968đã đồng sánglập ra côngty chip khổnglồ Intel cùng với Noyce, đã đưara một dựbáo trongmột bài đang trêncuốn tạp chí đượcxuất bản vào năm 1965 được biếtđến như thể “ Định luật Moore ”. Định luật nàydự báo rằng số lượng bóng bán dẫntrên mộtcon chip cóthể tăng gấp đôi sau mỗi hai năm, điều đó cũng mang lại sựtăng trưởng về hiệu suất giải quyết và xử lý. Rất nhiều linhkiện nhỏ, tấtcả đều đượcsắp xếptrên mộtbề mặt nhỏ, được chứng tỏ là yếu tố quyết định hành động so với sự nâng tầm củachip. Các nhà phân phối chip đã và đang cóthể duytrì sự tăng trưởngtheo hàm mũnày tronghơn 40 năm qua. Con chipmáy tính tiên phong của Intel, con chip 4004 được sản xuấtvào năm 1971, chứa 2.300 bóng bán dẫn. Tới năm 1989, con chipi486 chứa 1.200.000 bóngbán dẫnvà vào năm 2000, con chipPentiumđạt tới consố 42 triệu. Con chip 45 nmmới củaIntel chứa tổngsố 820 triệu bóng bán dẫn ( transistor ). ” Đùa giỡn ” với nguyên tửSự kết thúc củaĐịnh luật Moore đã được dự báotrong rất nhiều trường hợp. Theo định nghĩa, không có sự tăng trưởng theo hàm mũ nào là mãi mãi – tuy vậycác nhà phân phối chip dườngnhư luôn tìm một cáchthức để duy trì sự “ mãi mãi ”. Tháng 12 năm ngoái, GordonMoore dự báo rằng định luật củaông sẽ vẫn cònđúngtrong vòng tối thiểu là từ 10 đến 15 năm nữa – đó là khinhững rào cản cơbản hoàn toàn có thể Open và buộcđịnhluật của ông phải giậm chân tạichỗ. Nhưngđôikhi dườngnhư là định luật nổitiếng nhất trong quốc tế điện toán cũngcó thể gặpkhókhăn để hoàn toàn có thể duy trì sự đúng đắntrong thế kỷ 21. Để duy trì sự tăng trưởng theo hàm mũ đã đượcphát biểu bởi định luậtMoore, những bóng bán dẫn cần phảithu nhỏ đimột nửa sau xê dịch 24 tháng. ” Trậnchiến ” thu nhỏ này đã đẩymột bộ phận quantrọng của bóng bán dẫn đến giới hạncủa mình : đó làphầnđiôxit silic ( SiO2 ) đóngvai trò củamột lớpcáchđiện giữa cựccổng vàcực máng nơi dòngđiện chạy qua khi bóng bán dẫn được bật lên. Với mỗimột thế hệ chip mới, lớp cách điện này lại trở nên mỏnghơn – cho đến haithế hệtrước, nó chỉ còn có 1.2 nm hay có độ dày là 5 nguyên tử. Các kỹ sư của Intel khôngcòn cóthể ” bào mỏng mảnh ” thêm bất kể một nguyên tử nào nữa. Khi lớp cách điện trở nên mỏnghơn thì dòngrò xuấthiện. Nó giống như làmột vòi nước bị nhỏ giọt : lớp cách điện bắt đầulàm rò rỉ dòng điệnvào trong bóngbán dẫn. Điềuđó làm chobóng bán dẫn ứng xử hoàn toànkhác, tiêu tán ra mộtlượng nguồn năng lượng lớn hơn. Kết quả là : con chip tiêu thụ nhiều điện năng hơn, phátra mộtlượng nhiệt lớn trong khihoạt động. Giới hạn cơ bảnBóng bán dẫn bị ròđiện là thử thách lớnnhất đốivới ngành côngnghiệpbán dẫn : nếu khôngcó sự nâng tầm lớn nào, họ cóthể bị dồnđến một số lượng giới hạn cơbản đã đượcdự báo từ lâu. Điều đó không chỉ hàm ý sự kết thúc của định luậtMooremà nó còn đedọa việc đưa cuộccáchmạng số của những thập kỷ trước đâyđến một sự dừng lạiđột ngột. Cáccon chip máy tính có hiệu năng đượctăng gấpđôi saumỗi chu kỳ luân hồi 24 tháng sẽ trở thành những điều của quá khứ. Giải phápcho cuộckhủnghoảng được tìmra bởi việc làm cho lớp cách điệnmỏnghơn. Điều chỉ đượcminh chứnglà hoàn toàn có thể bằng việc sảnxuất lớp cáchđiện đóbằngmột loại vật tư khác – có chứa số lượng nguyên tử nhiềuhơn. Vàotháng1 / 2007, Intel đã công bố rằng lần đầutiên sau 40 năm, lớp cách điện sẽkhôngcòn được sản xuất từ điôxit silic nữa mà là bằngHafnium, một sắt kẽm kim loại màuxám bạccó nhữngđặc tính điện tốt hơn và cắtgiảm được dòngrò tới 10 lần. Bảnthân GordonMoore đã gọi sự đột phánày là “ sự thay đổiquan trọng nhất về côngnghệ bóng bán dẫn kể từ cuối thập kỷ 60 “. Nhưng cải tiến vượt bậc này mới chỉ là một nửacủa giải pháp. Loạivật liệu mớichothấylà nó không tươngthích với một bộ phận quan trọng kháccủa bóng bán dẫnlà cựccổng. Tệ hơn nữa lànhững bóngbán dẫn tiên phong sử dụngloại vật tư cáchđiện mới còn hoạt độngkém hiệu suất cao hơn cả nhữngbóngbán dẫn cũ. Câu trả lờiđược tìm thấy trong việcsử dụng một loại vật tư mới cho cực cổng : mộttổ hợp bímật, độc đáocủa những sắt kẽm kim loại màIntel đangxem là một bí hiểm đượcbảo vệ nghiêmngặt. Vào ngày 12/11/2007, Intelđã ra mắt một thế hệ mới của nhữngconchip sử dụng nhữngloại vậtliệu mới này vàdựa trên quytrình sản xuất 45 nm. Sovới quytrình 65 nmtrước đây, quá trình sảnxuất nhỏ hơn này được cho phép Intelgầnnhư tăng gấp đôi số lượng bóngbán dẫn trên cùngmột diện tíchbề mặt, cho phépcông ty lựa chọngiữa việc tăng tổng số bóng bán dẫn hoặclàm ra những con chipnhỏ hơn. Vì nhữngbóngbán dẫn 45 nmnhỏ hơn so với thế hệ trước, chúngchỉ yêucầu mức nguồn năng lượng nhỏ hơn 30 % để bật và tắt. Trongnhững thập kỷ vừa mới qua, bóngbán dẫn và chipđã liên tục manglạicông suất giải quyết và xử lý lớn hơn với mức ngân sách thấphơn. Điều đó đã minhchứng động cơcuối cùng cho việc tự động hóa nền kinh tế tài chính toàn thế giới. Nhưng con chip và máy tínhvẫn còn cả một quãng đườngdài phía trước. Theothời gian, máy tính đã phát triểnthành một côngcụ thi hành tuyệt vời những mệnhlệnh do con người đưa ra. Nó inra những bứcthư, gửi e-mail, giải quyết và xử lý những tác vụ tínhtoán trong bảng tínhvà phátcác bộ phim. Trong tương lai, máy tính được kỳ vọnglà sẽ trở thành nhữngcố vấncho con người ; nó sẽ họctừ nhữngứng xử của tất cả chúng ta và thích ứng bản thân nómột cách phùhợp. Nhữngbước dự tính tiên phong theo hướngnày hoàn toàn có thể được nhìnthấytrên nhữngtrang weblấy người tiêu dùng làm trung tâmnhư là Amazon vàiTunes. Chúng đưa ranhững khuyến nghị cho người tiêu dùngvề nhữngnội dungmua sắm khácdựa trên ứng xử mua hàng của chính ngườitiêu dùng. Công suất giám sát ngàycàng cao là tác dụng của định luật Moorecũngchophép loài người xử lý nhữngvấn đề của thời đại có tầm ảnh hưởng tác động lớn hơnnhư khí hậu, bệnh tật ( di truyền ), chăm nom sứckhỏe với giácả hài hòa và hợp lý, làm sáng tỏnhững bímật về gen. Nhữngvấn đề đó đangđược điều tra và nghiên cứu lúc bấy giờ làkhôngthể tưởng tượngđược ở vào thời gian 5 năm về trước. Các ứng dụng này làm thayđổi cuộcsống và duytrì đời sống. Công suất giải quyết và xử lý càng cao trongcác máy tính vàchip thì nhữngkết quả của những nghiên cứu và điều tra này càng lớnvà là hết sứccần thiếtđối với loài người. Một thập kỷ mới của định luật Moore đã hiện ra .

Source: https://dvn.com.vn
Category: Điện Tử