Michio Kaku: Vật lí học của tương lai - Thế giới năm 2100 (Phần 17)

GIỮA THẾ KỈ (2030 ĐẾN 2070)

Sự cáo chung của định luật Moore

Chúng ta phải hỏi rằng: Cuộc cách mạng máy vi tính này có thể kéo dài bao lâu? Nếu định luật Moore vẫn đúng trong 50 năm nữa, thì cái có thể nhận thức được là các máy vi tính rồi sẽ vượt qua sức mạnh tính toán của bộ não người. Lúc giữa thế kỉ, một động thái mới xuất hiện. Như George Harrison từng nói, “Mọi thứ rồi sẽ phải qua đi”. Như thế, định luật Moore rồi phải cáo chung, và cùng với nó là sự phát triển ngoạn mục của công suất máy tính đã tiếp sức cho sự tăng trưởng kinh tế trong nửa thế kỉ qua.

Ngày nay, chúng ta hoan nghênh định luật Moore, và thật ra là tin nó là đặc quyền của chúng ta, mang đến những sản phẩm vi tính có công suất và tính phức tạp ngày một tăng. Đây là lí do chúng ta mua các sản phẩm vi tính mới hàng năm, biết rằng chúng có công suất gần gấp đôi mẫu của năm trước. Nhưng nếu định luật Moore sụp đổ - và mỗi dòng sản phẩm vi tính đại khái có cùng công suất và tốc độ của dòng trước đó – vậy thì tại sao phải mua máy vi tính mới chứ?

Vì những con chip được đặt trong đa dạng sản phẩm, nên sự sụp đổ này có thể có tác động thảm họa đối với toàn bộ nền kinh tế. Vì toàn bộ nền công nghiệp chip đình trệ, nên hàng triệu người có thể bị mất việc làm, và nền kinh tế có thể đi vào khủng hoảng.

Những năm trước đây, khi các nhà vật lí chúng tôi nêu vấn đề sự sụp đổ không thể tránh khỏi của định luật Moore, ngành công nghiệp truyền thống ấy đã bác bỏ chúng tôi, nói bóng nói gió rằng chúng tôi đang khóc than cho bầy sói. Sự cáo chung của định luật Moore đã được tiên đoán quá nhiều lần rồi, họ nói, nhưng đơn giản là họ không có tin.

Nhưng chưa hết.

Hai năm trước đây, tôi có chủ trì một hội nghị lớn cho Microsoft tại trụ sở chính của họ ở Seattle, Washington. Ba nghìn kĩ sư hàng đầu tại Microsoft ngồi trong hàng ghế khán giả, chờ nghe cái tôi phải nói về tương lai của máy vi tính và viễn thông. Nhìn kĩ vào đám đông khổng lồ bên dưới, tôi có thể thấy những gương mặt kĩ sư trẻ, đầy nhiệt huyết, họ là người sẽ viết ra các chương trình sẽ chạy trên máy vi tính để bàn và laptop của chúng ta. Tôi nói thẳng về định luật Moore và nói rằng nền công nghiệp nên chuẩn bị cho sự sụp đổ này. Một thập kỉ trước đây, tôi có thể bắt gặp một tràng cười lớn hay vài tiếng cười khúc khích. Nhưng lần này tôi chỉ thấy mọi người gật gật đầu của họ.

Vì thế, sự sụp đổ của định luật Moore là một vấn đề có tầm quan trọng quốc tế, với hàng nghìn tỉ đô la đang bị đe dọa. Nhưng chính xác nó sẽ kết thúc như thế nào, và cái gì sẽ thay thế nó, phụ thuộc vào các định luật vật lí. Câu trả lời cho những câu hỏi vật lí này cuối cùng sẽ làm rung chuyển cấu trúc kinh tế của chủ nghĩa tư bản.

Để hiểu tình huống này, điều quan trọng cần nhận ra là sự thành công thấy rõ của cuộc cách mạng máy vi tính là dựa trên một vài nguyên lí vật lí. Thứ nhất, các máy vi tính có tốc độ cực cao bởi vì tín hiệu điện truyền đi ở tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, đó là tốc độ tối hậu trong vũ trụ. Trong một giây, một chùm ánh sáng có thể truyền đi bảy vòng trái đất hoặc lên tới mặt trăng. Các electron cũng dễ dàng chuyển động tự do và liên kết lỏng lẽo với nguyên tử (và có thể bị tước ra bởi việc chải đầu, đi chân không trên thảm, hoặc giặt quần áo – đó là lí do chúng ta bị bám dính tĩnh điện). Sự kết hợp của sự liên kết lỏng lẽo của các electron và tốc độ cực cao của chúng cho phép chúng ta truyền tín hiệu điện ở tốc độ thần tốc, cái đã tạo ra cuộc cách mạng điện lực của thế kỉ vừa qua.

Thứ hai, hầu như không có giới hạn cho lượng thông tin mà bạn có thể đặt trên một chùm laser. Các sóng ánh sáng, vì chúng dao động nhanh hơn các sóng âm rất nhiều lần, có thể mang đi nhiều thông tin hơn sóng âm rất nhiều lần. (Ví dụ, hãy nghĩ tới việc kéo căng một sợi dây dài và sau đó cho một đầu dây dao động nhanh. Bạn càng lắc đầu dây nhanh bao nhiêu thì bạn có thể gửi tín hiệu đi trên sợi dây đó nhiều bấy nhiêu. Do đó, lượng thông tin mà bạn có thể nhồi nhét lên một sóng tăng lên khi bạn cho sợi dây dao động nhanh hơn, nghĩa là tăng tần số của nó.) Ánh sáng là một sóng dao động xấp xỉ 10¹⁴ chu kì mỗi giây (tức là con số 1 và 14 con số không đằng sau nó). Cần nhiều chu kì để truyền tải một bit thông tin (1 hoặc 0). Điều này có nghĩa là một sợi cáp quang có thể mang chừng 10¹¹ bit thông tin trên một tần số. Và con số này có thể tăng lên bằng cách nhồi nhét nhiều tín hiệu vào một sợi quang rồi buộc chùm những sợi này lại thành cáp. Điều này có nghĩa là, bằng cách tăng số kênh dẫn trong một sợi cáp và sau đó tăng số lượng cáp, người ta có thể truyền thông tin hầu như không có giới hạn.

Thứ ba, và quan trọng nhất, là cuộc cách mạng máy vi tính có động lực là sự thu nhỏ kích cỡ transistor. Một transistor là một cổng, hay một công tắc, điều khiển dòng điện chạy. Nếu một mạch điện được ví như hệ thống dẫn nước, thì một transistor được ví như cái van điều khiển dòng nước. Giống như việc đơn giản vặn một cái van có thể điều khiển thể tích nước khổng lồ, transistor cho phép một dòng điện nhỏ xíu điều khiển một dòng lớn hơn nhiều, nhờ đó khuếch đại công suất của nó.

Tại trung tâm của cuộc cách mạng này là chip máy tính, nó có thể chứa hàng trăm triệu transistor trên một bánh xốp silicon cỡ bằng cái móng tay của bạn. Bên trong laptop của bạn có một con chip có các transistor chỉ có thể nhìn thấy qua kính hiển vi. Những transistor hết sức nhỏ này được chế tạo theo kiểu giống như cách in hoa văn trên áo sơ mi vậy.

Các hình vẽ trên áo sơ mi được sản xuất hàng loạt bằng cách trước tiên chế tạo một cái khuôn với đường viền hoa văn mà người ta muốn tạo ra. Sau đó đặt cái khuôn lên trên vải và phun thuốc nhuộm lên. Chỉ những chỗ có khoảng trống trên cái khuôn thì thuốc nhuộm mới ngấm xuống vải được. Một khi lấy cái khuôn đó ra thì người ta đã có một bản sao hoàn chỉnh của hoa văn trên áo.

Tương tự như vậy, người ta chế tạo một cái khuôn chứa những đường viền phức tạp của hàng triệu transistor. Cái khuôn này được đặt lên trên một miếng bánh xốp gồm nhiều lớp silicon nhạy với ánh sáng. Sau đó chiếu tập trung ánh sáng tử ngoại lên cái khuôn, ánh sáng này đi xuyên qua những chỗ trống của cái khuôn và làm phơi sáng bánh xốp silicon.

Sau đó miếng bánh xốp được ngâm trong acid, khắc đường dẫn của các mạch điện và tạo ra thiết kế phức tạp gồm hàng triệu transitor. Vì miếng bánh xốp gồm nhiều lớp dẫn và bán dẫn, nên acid ăn mòn vào miếng bánh xốp ở những độ sâu và hoa văn khác nhau, vì thế người ta có thể chế tạo ra những mạch điện hết sức phức tạp.

Một lí do khiến định luật Moore không ngừng tăng công suất chip là bởi vì ánh sáng tử ngoại có thể được điều chỉnh sao cho bước sóng của nó mỗi ngày một nhỏ đi, và vì thế có thể khắc được số lượng transistor nhỏ xíu tăng lên trên các bánh xốp silicon. Vì ánh sáng tử ngoại có một bước sóng nhỏ bằng 10 nanomét (1 nanomét bằng một phần tỉ của một mét), nên transitor nhỏ nhất mà bạn có thể khắc có kích cỡ chừng bằng ba mươi nguyên tử.

Nhưng quá trình này không thể tiếp diễn mãi mãi. Một lúc nào đó, trên phương diện vật lí sẽ không thể nào khắc được các transistor theo cách này đến kích cỡ nguyên tử. Bạn có thể tính đại khái khi nào định luật Moore cuối cùng sẽ sụp đổ: khi cuối cùng bạn đã đạt tới những transistor kích cỡ bằng từng nguyên tử.

Sự cáo chung của định luật Moore

Sự cáo chung của định luật Moore. Chip máy tính được chế tạo theo kiểu giống như in hoa văn trên áo sơ mi. Thay vì phun thuốc nhuộm lên khuôn, người ta chiếu tập trung ánh sáng tử ngoại lên khuôn, ghi ảnh lên trên các lớp silicon. Sau đó đem ảnh đó đi khắc acid, tạo ra hàng trăm triệu transistor. Nhưng có giới hạn đối với quá trình đó khi chúng ta đạt tới kích cỡ nguyên tử. Liệu rồi Thung lũng Silicon sẽ trở thành phế tích chăng?

Khoảng năm 2020 hoặc sau đó không bao lâu, định luật Moore sẽ dần dần không đúng nữa và Thung lũng Silicon có lẽ từ từ chuyển thành phế tích trừ khi có công nghệ thay thế được tìm thấy. Theo các định luật vật lí, cuối cùng thì Kỉ nguyên Silicon sẽ khép lại, và chúng ta sẽ bước sang Thời đại Hậu Silicon. Các transistor sẽ nhỏ đến mức thuyết lượng tử hay vật lí nguyên tử phải vào cuộc và các electron rỉ ra khỏi dây dẫn. Ví dụ, lớp mỏng bên trong máy vi tính của bạn sẽ dày chừng năm nguyên tử. Lúc ấy, theo các định luật vật lí, thuyết lượng tử chiếm ưu thế. Nguyên lí bất định Heisenberg phát biểu rằng bạn không thể biết đồng thời vị trí và vận tốc của bất kì hạt nào. Điều này nghe có vẻ phản trực giác, nhưng ở cấp độ nguyên tử, đơn giản là bạn không thể biết được electron ở chỗ nào, cho nên nó không bao giờ có thể bị giam cầm chính xác trong một sợi dây hoặc một lớp cực mỏng và nó nhất thiết rò rỉ, làm cho mạch điện bị ngắn mạch.

Chúng ta sẽ nói tới vấn đề này chi tiết hơn trong Chương 4, khi chúng ta phân tích công nghệ nano. Với phần còn lại của chương này, chúng ta sẽ giả sử rằng các nhà vật lí đã tìm thấy một hậu thân cho sức mạnh silicon, nhưng công suất máy tính tăng lên với tốc độ chậm hơn nhiều so với trước đây. Các máy vi tính có khả năng nhất sẽ tiếp tục phát triển theo hàm số mũ, nhưng thời gian tăng gấp đôi công suất sẽ không phải là mười tám tháng, mà là nhiều năm.