Định luật Moore 45 tuổi
Năm nay, định luật Moore sẽ bước sang tuổi 45 và đối mặt trước một cuộc khủng hoảng thuộc loại nửa đời người. Năm 1965, Gordon Moore (sau này là đồng sáng lập hãng Intel), nhận xét thấy số transistor có thể lắp khít vào một mạch tích hợp đại khái là tăng lên gấp đôi qua hàng năm. Tiên đoán đơn giản của ông, mà sau này ông đã điều chỉnh là tăng lên gấp đôi trong mỗi hai năm, đã trở thành một chuẩn công nghiệp, và theo một nghĩa nào đó, nó là một lời tiên tri đã hiệu nghiệm.
Bất chấp những lời đồn đại không ngớt về cái chết không thể tránh khỏi của định luật Moore (kể cả của chính bản thân Moore), các nhà nghiên cứu vẫn làm dậy sóng những chiếc máy tính nhanh hơn, mạnh hơn theo lịch định. Liệu công nghệ có thể tiếp tục hành trình tăng theo số mũ của nó bao lâu nữa theo hướng nhỏ hơn, nhanh hơn, rẻ hơn? Sau đây là một số hi vọng sáng giá nhất của chúng ta nhằm tiếp tục giữ vững định luật Moore.
Mạch tích hợp đầu tiên, ảnh trên, được Jack Kilby phát minh ra vào năm 1958; nó có kích cỡ 1,6 và 11,1 mili mét, và có một transistor duy nhất. Hãy so với những bộ vi xử lí trong chiếc laptop của bạn, chúng chứa hàng trăm triệu transistor, mỗi transistor bề ngang chỉ 45 nano mét.
Ảnh: Texas Instruments
Xây dựng nhiều tầng
Giải pháp dễ thấy nhất cho việc đóng gói nhiều sức mạnh điện toán là thu nhỏ chip máy tính. Các transistor thương mại ngày nay nhỏ cỡ 32 nm, nhưng kích cỡ đó đã nằm gần giới hạn của công nghệ chế tạo hiện nay.
Như mọi người dân thành thị đều biết, cách tạo ra mật độ lớn trong không gian hạn chế là xây nhà cao tầng. Các nhà nghiên cứu đã đi đến một mẫu thiết kế kiểu giàn giáo cho chip máy tính, về cơ bản là xây dựng một lớp dây nano lên trên một lớp dây nano khác theo hướng vuông góc. Hệ thống giao nhau giữa những bộ dây đó được gọi là memristor, một nguyên tố mạch tích hợp mới có thể lưu trữ thông tin ngay cả sau khi dòng điện đã tắt.
Các nhà nghiên cứu tại hãng HP đã chế tạo ra những nguyên mẫu memristor, hình trên, cuối cùng có thể cho phép các máy tính bắt chước bộ não người ở khả năng hồi phục thông tin và phát triển thêm khi sử dụng.
Ảnh: R. Stanley Williams, Hewlett Packard Laboratories
Vẫn nguội với những ống dẫn nhỏ xíu
Khi các kĩ sư tìm cách nhồi nhét nhiều sức mạnh chip vào những không gian nhỏ hơn, họ cũng phải xử lí vấn đề nhiệt vượt mức. Các quạt làm mát gắn trong và các bể nhiệt (kiểu như case nhôm dẫn nhiệt của Macbook Air) giải phóng một phần nhiệt. Bước tiếp theo có thể là những hệ thống dẫn nhỏ xíu cho phép nước chảy qua và lấy nhiệt ra ngoài.
IBM đã thiết kế ra một hệ ống dẫn hàn kín, hai lớp như vậy bằng silicon và silicon oxide, đường kính chỉ 0,002 inch, như minh họa ở đây, cái họ hi vọng sẽ có mặt trên thị trường trong vài năm tới. IBM cho biết ngay cả sự ngắn mạch cũng sẽ chẳng là vấn đề gì hệ trọng.
Ảnh: IBM
Hafnium: Một chất cách điện tốt hơn
Dòng điện chạy qua một transistor được điều chỉnh bằng những công tắc nhỏ xíu, gọi là các cổng, chúng phải được cách điện. Khi các chip trở nên nhỏ hơn, thì chất cách điện, thường dùng là silicon dioxdide, trở nên càng mỏng hơn. Giảm đi chỉ còn dày vài ba nguyên tử, silicon dioxdie sẽ bị rò điện, mang đến một rào cản cho sự phát triển công nghệ đi xa hơn.
Một hướng đổi mới chính yếu là phát triển những chất cách điện tốt hơn cấu tạo từ hợp kim của nguyên tố hafnium, làm giảm tổn hao do nhiệt và bảo toàn công suất. Các chất cách điện gốc hafnium hiện đã được sử dụng trong thế hệ chip 45 nm do hãng Intel sản xuất. Ảnh trên là mặt dưới một con chip năm 1993.
Ảnh: Intel
Đẩy lùi các giới hạn của thuật in li-tô
Các vân rối rắm trên các chip máy tính ngày nay được chế tạo bằng một kĩ thuật gọi là in li-tô. Trước tiên, một màng mỏng chất liệu nhạy quang, hoặc cản quang, được đặt lên trên một bánh xốp silicon. Chiếu vào một mẩu ánh sáng cường độ mạnh làm cho chất cản quang bị tôi thành một mặt nạ bảo vệ. Sau đó, bánh xốp được nhúng trong những bể hóa chất, chúng khắc lên những chỗ không được bảo vệ. Quá trình này có thể lặp lại nhiều lần để khắc những khuôn mẫu phức tạp và những mạch điện nhỏ xíu lên trên bánh xốp silicon.
Giới hạn của kĩ thuật in li-tô được lập ra bởi bước sóng của ánh sáng. Bằng cách sử dụng ánh sáng tử ngoại và những siêu thấu kính có khả năng tạo ảnh dưới bước sóng, các nhà khoa học cho biết họ có thể đầy lùi ranh giới in li-tô xuống dưới khoảng 20 nm. Để vượt quá độ phân giải đó, các nhà nghiên cứu đang khảo sát các thấu kính plasmon, như minh họa ở đây, sử dụng các electron kích thích để tập trung ánh sáng vào những bước sóng ngắn hơn nữa – về mặt lí thuyết, kĩ thuật này có thể dùng để khắc những chi tiết mạch nhỏ cỡ 5 đến 10 nm.
Ảnh: Liang Pan và Cheng Sun, UC Berkeley
Các chất bán dẫn graphene
Mặc dù trong hàng thập kỉ qua silicon đã là chất liệu chuẩn cho các transistor, nhưng vẫn có nhiều quảng cáo về khả năng thay thế nó với những chất liệu nano mới, thí dụ như những tấm carbon dẻo, dày một nguyên tử, gọi là graphene. Tuy nhiên, để cho graphene có được những tính chất bán dẫn cần thiết, người ta phải cắt nó thành những dải rộng chưa tới 10 nm.
Các nhà khoa học vật liệu đang chế tạo các dải graphene bằng cách “mổ” ống nano carbon. Một nhóm đã dán các sống nano lên trên một màng mỏng polymer và sử dụng khí argon ion hóa để cắt mở từng ống, mang lại những dải rộng cỡ 6 nm. Một nhóm khác đặt ống nano trước acid sulfuric và kali permanganate, một tác nhân oxy hóa mạnh, làm kéo căng các liên kết carbon và làm cho các ống bung ra theo chiều dọc, như minh họa ở trên.
Một số nhà nghiên cứu đang khảo sát những phương pháp triển vọng khác biến graphene thành một chất bán dẫn hiệu quả, ví dụ như sử dụng graphene hai lớp cùng với một polymer cách điện đặc biệt hoặc là khoét những lỗ trống trong graphene để tạo ra một “mắt lưới nano” bán dẫn, nhưng vẫn không rõ là những kĩ thuật này có mang lại những con chip khả thi hay không.
Ảnh: Dmitry V. Kosynkin, Đại học Rice
Chip tự lắp ráp từ ADN
Khi các nguyên tử mạch giảm kích cỡ, thì công việc lắp ráp chúng thành cấu trúc thích hợp cũng đòi hỏi những thủ thuật mới. Các nhà khoa học đang được truyền cảm hứng từ một trong những thiết kế vĩ đại nhất của mẹ thiên nhiên: ADN. Các nhà nghiên cứu tại IBM đã tìm ra một phương pháp làm cho những chuỗi ADN virus tự lắp ráp thành những giàn giáo trên đó hàng triệu ống nano carbon có thể đặt lên, mang lại một sự lựa chọn khác rẻ hơn, hiệu quả hơn cho các chip silicon ngày nay.
Trong một kĩ thuật gọi là xếp giấy ADN, các chuỗi ADN được thiết kế tùy chọn sao cho các chuỗi gấp nếp thành những hình dạng hai hoặc ba chiều không được xác định trước. Các nhà nghiên cứu dự đoán rằng các chip lắp ráp theo kiểu này có thể nhỏ cỡ 6 nm, mặc dù phải chờ thêm một thập kỉ nữa thì các kết quả trên mới trở thành sản phẩm thương mại được.
Ảnh: IBM
Điện toán ở tốc độ ánh sáng
Một hướng đi khác không theo đuổi sự thu nhỏ chip của định luật Moore là điện toán quang học, nhắm tới việc tăng tốc truyền thông tin lên đến tốc độ ánh sáng – bằng cách thay thế electron bởi photon. Cho đến nay, sự hiện thực hóa triển vọng nhất của công nghệ quang học là các tương kết quang sẽ thay thế cho những dây đồng tương đối chậm hiện được sử dụng để nối kết các chip vi xử lí lại với nhau. Những “ống dữ liệu” quang này được chế tạo từ indium phosphate và silicon phát quang.
Một con chip máy tính hoạt động dựa trên ánh sáng vẫn còn lâu mới đạt tới, nhưng có lí do để cho người ta hi vọng. Mới đây, các nhà khoa học đã thiết kế ra transistor đầu tiên cho các chùm laser. Transistor trên, cấu tạo gồm một đơn phân tử chất nhuộm được đông lạnh tới -272oC, có thể tác dụng như một công tắc điều khiển công suất của một chùm laser truyền qua nó.
Ảnh: Robert Lettow
Điện toán lượng tử: ‘Chén thánh’ của công nghệ?
Nếu chúng ta tiếp tục làm chủ định luật Moore thêm vài thập kỉ nữa, thì thách thức tối hậu sẽ xuất hiện tại cấp độ một đơn nguyên tử, electron, hoặc có lẽ là photon. Tại đó, sự điện toán sẽ bị chi phối bởi cơ học lượng tử, một viễn cảnh đáng sợ nhưng cũng thật trêu ngươi. Hiệu quả hơn rất nhiều so với điện toán cổ điển, cái hoạt động trên cơ sở các cổng lôgic đảo lật giữa hai trạng thái, 1 hoặc 0, điện toán lượng tử sẽ truy xuất đến những trạng thái lượng tử bội, hay qubit, đồng thời. Điều này sẽ cho phép các máy tính lượng tử làm nhiều phép tính cùng một lúc thay vì tuần tự.
Những đặc điểm có thể dùng làm qubit bao gồm những spin khác nhau của các electron, sự định hướng từ của các ion, hay photon do các ion phát ra. Các nhà nghiên cứu đã xây dựng được bộ vi xử lí lượng tử bán dẫn đầu tiên và dụng cụ, hình trên, sử dụng laser để thao tác với những qubit của các ion beryllium siêu lạnh.
Ảnh: J. Jost, NIST
Theo Discover Magazine
