Định luật Moore đã hỗ trợ cuộc sống chúng ta trong một thời gian và nó chưa chết. Các nhà sản xuất chip đang cố gắng đẩy nhanh quá trình thu nhỏ transistor để viết tiếp định luật này.
Mới đây, một nhóm nghiên cứu ở Trung Quốc dường như vừa tạo ra những transistor nhỏ nhất thế giới.
Trung Quốc dường như vừa tạo ra những transistor nhỏ nhất thế giới.
Trong vài thập kỉ qua, các nhà khoa học và kỹ sư đã cố gắng thu nhỏ transistor đến mức, có trường hợp nhỏ nhất của chúng chỉ bao gồm hàng chục nguyên tử. Kể từ khi mạch tích hợp đầu tiên xuất hiện vào những năm 1950, tốc độ tiến bộ trong việc thu nhỏ transistor đã tuân theo Định luật Moore, vốn dự đoán rằng mật độ các thành phần hoạt động trong chip tích hợp sẽ tăng gấp đôi sau mỗi 2 năm.
Đáng tiếc, tiến độ theo chiều hướng này đã chậm đi đáng kể trong những năm gần đây. Lý do chính đằng sau vấn đề này là chúng ta đang tiến nhanh đến giới hạn vật lý của vật liệu và tiến trình sản xuất nhất hiện có.
Vật liệu graphene và ống nano carbon rất quan trọng trong việc tạo ra transistor nhỏ.
Cụ thể hơn, chúng ta không thể tạo được các transistor gate, vốn điều khiển dòng điện từ nguồn đến rãnh, nhỏ hơn 5nm vì một thứ gọi là xuyên hầm lượng tử, ngăn chúng hoạt động như dự định.
Các vật liệu như graphene và ống nano carbon có thể rất quan trọng trong việc tạo ra những transistor nhỏ hơn nhờ các đặc tính vật lý của chúng, nhưng để tạo ra những thiết bị sẽ mất một khoảng thời gian.
Trong một bài báo vừa phát hành tuần này, các nhà nghiên cứu Trung Quốc nói đã tạo ra một transistor có độ dài cổng nhỏ nhất từng được báo cáo. Cột mốc quan trọng này được thực hiện bằng cách sử dụng graphene cũng như molypdenum disulfide một cách sáng tạo, xếp chúng vào cấu trúc cầu thang 2 bậc.
Ở bậc cao hơn, chúng ta có nguồn, và tại bậc thấp hơn, chúng ta có rãnh. Cả hai đều được làm bằng hợp kim palladium titan, ngăn cách bởi về mặt của cầu thang – vốn được làm bằng một vật liệu bán dẫn gọi là molypdenum disulfide, bản thân nó nằm trên một lớp hafnium dioxide, đóng vai trò như một chất cách điện.
Thiết kế này tận dụng cạnh của các tấm graphene.
Bên trong của bậc cao hơn là một lớp sandwich bằng nhôm, được bao phủ bởi oxit nhôm, vốn nằm trên một tấm graphene – một lớp nguyên tử carbon duy nhất. Oxit nhôm hoạt động như một chất cách điện, ngoại trừ một khe hở nhỏ trên bức tường thẳng đứng của bậc cao hơn, nơi tấm graphene được phép tiếp xúc với molybdenum disulfide. Toàn bộ cấu trúc cầu thang này nằm trên một lớp silicon dioxide dày.
Thiết kế này tận dụng cạnh của các tấm graphene. Điều đó có nghĩa là khi cổng được đặt ở trạng thái “bật” và chỉ rộng 0,34nm, cơ bản là chiều rộng của chính lớp graphene. Một tính năng đáng chú ý khác của “transistor bên tường” này là sự rò rỉ dòng điện không đáng kể do điện trở ngoài trạng thái cao hơn.
Các nhà sản xuất có thể tận dụng kết quả này cho những ứng dụng tiêu thụ ít điện năng. Hơn hết, nó sẽ tương đối dễ chế tạo, mặc dù nhiều nguyên mẫu yêu cầu khá nhiều điện áp để truyền động.
Kích thước cổng nhỏ hơn 0,34nm là gần như bất khả thi.
Đồng tác giả của nghiên cứu, nhà nghiên cứu Tian-Ling Ren thuộc Đại học Thanh Hoa, cho biết rằng đây có thể là “điểm nút cuối cùng cho Định luật Moore”. Ông cũng tin rằng kích thước cổng nhỏ hơn 0,34nm là gần như bất khả thi.
Tất nhiên, các nhà nghiên cứu đứng sau transistor mới chỉ chứng minh rằng một transistor có thể chế tạo bằng vật liệu mỏng một nguyên tử, mà không cần phát minh ra tiến trình mới để định vị chính xác các lớp cần thiết. Việc chế tạo tin cậy cho hàng tỉ transistor bên tường này vẫn còn là một giấc mơ xa vời nhưng là một bước quan trọng cho con đường thúc đẩy hi vọng về các thiết bị nhanh hơn, tiết kiệm hơn trong tương lai.
Trong khi đó, Samsung, Intel và TSMC đang cật lực để biến các transistor GAA-FET (gate-all-around) trở thành hiện thực, chuẩn hóa những kết nối liên kết cho các thiết kế chiplet.