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
đạt đến1.400km/s (Phụ lục d). Cực nhanhnhưngngười ta muốn nhanhhơn nữa.
Có phải đã đến lúc cặp bài trùng"siliconvàelectron" hoàn thành nhiệm vụ của
mình và phải rũ áo từ quan? Dù đứng trướcnhững đòi hỏivề tốc độ và thu nhỏ,
nhiều chuyên gia dự đoán rằng cặp "siliconvà electron"vẫn thống trị các máy điện
tử trong vài thập niên tới. Nhìn vào bảngphân loại tuần hoàn có lẽ không có

nguyêntố nào hàophóng hơn silicon trước nhucầu của con người và đổi lại nó
cũng được loài người dànhchosự ưu ái hơn nửa thế kỷ qua. Phải nói làsilicon là
một vật liệu nanochân chínhvàphương pháp li-tô chế tạo mạch tích hợp là một
công nghệ nano tiêu biểu. Trithứcvề transistorsilicon vàli-tô trở thành khotàng
vô giá chocông nghiệpđiện tử mà chúng ta không thể nào một sớm mộtchiều phũ
phàng vứt nó ra đi!
Thamvọng về "tốc độ" của con người quả là vô hạn nhưng nóphải dừng ở một con
số tuyệt đối. Con số này chẳng qua là vận tốcánh sáng(300.000 km/s). Vận tốc
electrontrongtransistor (1.400 km/s) chỉ bằng 0,5% vận tốc ánh sáng.Như thế,
tại saota khôngthay thế electron bằng photon (quangtử)cho việc xử lý dữ liệu
trong máy tính?Vấn đề thực sự không đơn giản. Photon là phươngtiện hữu hiệu
để chuyển tải thông tinnhư ta thấy những hệ thống cápquangdài hàng chục ngàn
cây số xuyên qua lòngđại dương phụcvụ ngànhviễn thông, trongkhi electron là
phươngtiện điều khiển và xử lý thông tin củabộ nhớ và bộ vi xử lý. Trongý nghĩa
này photonlà nô lệ và electronlà vua. Có mộtngày nào nô lệ thành vuavà vuahiện
tại sẽ chìm vàolịch sử?Ngày đó sẽ không còn transistor và máy tính điện tử hiện
tại sẽ trở nên máy tính quangtử học. Từ đây đến tương laiquang tử học đầy thách
thức là một thời kỳ chuyển tiếp đang xảy ra trước mắt với những nghiên cứu về
"quangtử học silicon"(silicon photonics) nhiều sôi độngvà thú vị [4-5].Các nhà
khoa họcđangtận dụng phương pháp li-tôđể chế tạochip quanghọc màvật liệu
chínhvẫn là người hùngsilicon hào phóng và dễ tính. Ta sẽ thấy bộ ba "silicon -
electron- photon" xuất hiện trong máy tínhtương laimàchức năngcủa photonsẽ
là sứ giả truyền dữ liệu trong cácvi mạch, những đường dây đồng dẫn điện rồi đây
sẽ đượcthay thế bằng sợi quang đẩy lùi vào bóng tốiphần nào những ray rứt gây
ra bởi electron vàsự phátnhiệt [6].
Trongmột nỗ lực khác,người ta đang nghiên cứu các loại vậtliệuhữu cơ bán dẫn
như polymerdẫn điện, ốngthan nano và graphenevới một ước mơ là chúngcó thể
thaythế silicon trongtransistorcó mộtđộ nhỏ vượt qua mức giới hạn của silicon.
Và xa xatrên đường chân trời nghiên cứu khoa học, vi tính lượngtử (quantum
computing) đang le lói như nhữngtia nắngbình minh xuyênthủng màn đêm mở

đầu mộtngày mới dựatrên những nguyêntắc kỳ bí gần như ma quái của cơ học
lượng tử. Tất cả mọi nỗ lực nghiên cứu này đều nhắm đến việc giảiquyết cái khát
vọng tộtcùng của con người: tốcđộ.