Thế Việt
Writer
Hai "gã khổng lồ" trong ngành công nghiệp bán dẫn của Mỹ là IBM và Lam Research vừa chính thức công bố một thỏa thuận hợp tác chiến lược mang tính bước ngoặt. Mục tiêu tối thượng của liên minh này là phá vỡ các rào cản vật lý hiện tại để tiến tới việc sản xuất thế hệ chip logic có kích thước siêu nhỏ, dưới mốc 1 nm (nanomet). Toàn bộ quá trình nghiên cứu và phát triển phức tạp này sẽ được đặt trọng tâm triển khai tại tổ hợp công nghệ cao NanoTech Albany của IBM tại tiểu bang New York.
Về mặt kỹ thuật cốt lõi, nanomet được dùng để đo lường chiều rộng của cổng trên một bóng bán dẫn. Kích thước cổng càng được thu nhỏ, các kỹ sư càng có thể nhồi nhét thêm hàng tỷ bóng bán dẫn vào cùng một diện tích bề mặt silicon, từ đó đẩy mạnh sức mạnh xử lý và tối ưu hóa mức tiêu thụ điện năng. Hiện tại, công nghệ chế tạo vi mạch tiên tiến nhất trên thế giới mới chỉ chạm đến ngưỡng 2 nm, và đây cũng chính là một thành tựu đột phá mà liên minh IBM và Lam Research đã góp công lớn tạo ra vào năm 2021. Với tham vọng tiến xuống dưới 1 nm, kích thước của các vi mạch điện tử sẽ chỉ còn tương đương với đường kính của một chuỗi DNA ở người.
Được đánh giá là một bước nhảy vọt về vật liệu học, công nghệ Aether thay thế hoàn toàn phương pháp phủ quay dạng lỏng truyền thống. Chất quang dẫn khô này được lắng đọng thông qua các tiền chất pha hơi và được phát triển hoàn toàn bằng quy trình khô dựa trên môi trường plasma. Điểm ưu việt mang tính quyết định của công nghệ này nằm ở việc các hợp chất hữu cơ và kim loại bên trong Aether có khả năng hấp thụ ánh sáng EUV cao gấp 3 đến 5 lần so với vật liệu gốc carbon cũ. Sự cải tiến này giúp giảm đáng kể liều lượng ánh sáng cần thiết trên mỗi tấm wafer, hỗ trợ duy trì việc tạo mô hình đơn bản ở các tiến trình tiên tiến mà không cần phải dùng đến phương pháp chiếu sáng đa bản vô cùng tốn kém và phức tạp.
Song song với việc thay đổi cấu trúc lõi, công nghệ mạng lưới cấp nguồn từ mặt sau (backside power delivery) cũng được triển khai đồng bộ. Bằng cách chuyển toàn bộ hệ thống đường dẫn điện xuống mặt dưới của tấm wafer silicon, giải pháp này giúp giải phóng hoàn toàn không gian chật chội ở mặt trước. Khu vực trống này sẽ tạo ra một môi trường tối ưu và thông thoáng để các kỹ sư thiết lập các lớp kết nối truyền tải tín hiệu, giảm thiểu tình trạng nhiễu xuyên âm và sụt áp trên các con chip tương lai.
Suốt nhiều thập kỷ qua, việc không ngừng thu nhỏ vi mạch đã trở thành động lực chính thúc đẩy toàn bộ ngành công nghiệp toàn cầu, từ kỷ nguyên máy tính cá nhân, điện thoại thông minh cho đến làn sóng phần cứng xử lý Trí tuệ nhân tạo (AI) hiện tại. Sự hợp tác giữa IBM và Lam Research mang ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong bối cảnh các hãng đúc chip hàng đầu như TSMC, Intel hay Samsung đang phải chi hàng chục tỷ USD mỗi năm nhưng vẫn gặp vô vàn khó khăn khi đẩy Định luật Moore đến ranh giới tột cùng của vật lý. Đánh giá về cục diện này, ông Chiang Shang-yi, cựu Giám đốc nghiên cứu và phát triển của TSMC nhận định rằng nếu Định luật Moore thực sự đạt đến giới hạn mà không có giải pháp đột phá nào được đưa ra, lĩnh vực vi mạch có nguy cơ mất đi vị thế công nghệ mũi nhọn và biến thành một ngành công nghiệp truyền thống chỉ trong vòng 20 năm tới.
#chip1nm
Về mặt kỹ thuật cốt lõi, nanomet được dùng để đo lường chiều rộng của cổng trên một bóng bán dẫn. Kích thước cổng càng được thu nhỏ, các kỹ sư càng có thể nhồi nhét thêm hàng tỷ bóng bán dẫn vào cùng một diện tích bề mặt silicon, từ đó đẩy mạnh sức mạnh xử lý và tối ưu hóa mức tiêu thụ điện năng. Hiện tại, công nghệ chế tạo vi mạch tiên tiến nhất trên thế giới mới chỉ chạm đến ngưỡng 2 nm, và đây cũng chính là một thành tựu đột phá mà liên minh IBM và Lam Research đã góp công lớn tạo ra vào năm 2021. Với tham vọng tiến xuống dưới 1 nm, kích thước của các vi mạch điện tử sẽ chỉ còn tương đương với đường kính của một chuỗi DNA ở người.
Giải quyết bài toán quang khắc với chất quang dẫn khô Aether
Khi tiến sâu vào vùng vi mô dưới 1 nm, công nghệ in khắc cực tím xa (EUV) truyền thống dựa trên các chất quang dẫn khuếch đại hóa học dạng ướt bắt đầu bộc lộ những hạn chế nghiêm trọng về độ sai số. Để vượt qua rào cản này, IBM và Lam Research đã quyết định kết hợp hệ thống máy quang khắc cực tím xa có độ mở ống kính lớn (High NA EUV) với công nghệ chất quang dẫn khô mang tên Aether của Lam Research.Được đánh giá là một bước nhảy vọt về vật liệu học, công nghệ Aether thay thế hoàn toàn phương pháp phủ quay dạng lỏng truyền thống. Chất quang dẫn khô này được lắng đọng thông qua các tiền chất pha hơi và được phát triển hoàn toàn bằng quy trình khô dựa trên môi trường plasma. Điểm ưu việt mang tính quyết định của công nghệ này nằm ở việc các hợp chất hữu cơ và kim loại bên trong Aether có khả năng hấp thụ ánh sáng EUV cao gấp 3 đến 5 lần so với vật liệu gốc carbon cũ. Sự cải tiến này giúp giảm đáng kể liều lượng ánh sáng cần thiết trên mỗi tấm wafer, hỗ trợ duy trì việc tạo mô hình đơn bản ở các tiến trình tiên tiến mà không cần phải dùng đến phương pháp chiếu sáng đa bản vô cùng tốn kém và phức tạp.
Kiến trúc xếp chồng 3D và mạng lưới cấp nguồn mặt sau
Bên cạnh những đột phá về vật liệu quang khắc, liên minh này còn tập trung xác thực quy trình sản xuất cho các kiến trúc bóng bán dẫn không gian ba chiều thế hệ mới nhằm duy trì và gia tăng hiệu năng khi diện tích linh kiện bị thu hẹp cực đại. Các nhóm nghiên cứu sẽ tập trung xây dựng mô hình cho thiết bị Nanosheet, một kỹ thuật xếp chồng các tấm silicon mỏng lên nhau để tăng cường dòng điện mà không làm gia tăng diện tích bề mặt. Kế tiếp đó là cấu trúc Nanostack, cho phép xếp chồng nhiều lớp Nanosheet để tối đa hóa mật độ bóng bán dẫn.Song song với việc thay đổi cấu trúc lõi, công nghệ mạng lưới cấp nguồn từ mặt sau (backside power delivery) cũng được triển khai đồng bộ. Bằng cách chuyển toàn bộ hệ thống đường dẫn điện xuống mặt dưới của tấm wafer silicon, giải pháp này giúp giải phóng hoàn toàn không gian chật chội ở mặt trước. Khu vực trống này sẽ tạo ra một môi trường tối ưu và thông thoáng để các kỹ sư thiết lập các lớp kết nối truyền tải tín hiệu, giảm thiểu tình trạng nhiễu xuyên âm và sụt áp trên các con chip tương lai.
Sứ mệnh duy trì sức sống cho Định luật Moore
Cuộc đua vươn tới cột mốc dưới 1 nm không chỉ là một nỗ lực trình diễn công nghệ mà còn là bài toán sống còn để duy trì Định luật Moore. Được nhà đồng sáng lập Intel Gordon Moore đưa ra vào năm 1965, định luật này dự báo rằng số lượng bóng bán dẫn trên một mạch tích hợp sẽ tăng gấp đôi sau mỗi chu kỳ 18 tháng, kéo theo sức mạnh điện toán tăng lên tương ứng.Suốt nhiều thập kỷ qua, việc không ngừng thu nhỏ vi mạch đã trở thành động lực chính thúc đẩy toàn bộ ngành công nghiệp toàn cầu, từ kỷ nguyên máy tính cá nhân, điện thoại thông minh cho đến làn sóng phần cứng xử lý Trí tuệ nhân tạo (AI) hiện tại. Sự hợp tác giữa IBM và Lam Research mang ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong bối cảnh các hãng đúc chip hàng đầu như TSMC, Intel hay Samsung đang phải chi hàng chục tỷ USD mỗi năm nhưng vẫn gặp vô vàn khó khăn khi đẩy Định luật Moore đến ranh giới tột cùng của vật lý. Đánh giá về cục diện này, ông Chiang Shang-yi, cựu Giám đốc nghiên cứu và phát triển của TSMC nhận định rằng nếu Định luật Moore thực sự đạt đến giới hạn mà không có giải pháp đột phá nào được đưa ra, lĩnh vực vi mạch có nguy cơ mất đi vị thế công nghệ mũi nhọn và biến thành một ngành công nghiệp truyền thống chỉ trong vòng 20 năm tới.
#chip1nm
