Ngành công nghiệp chip đạt dấu mốc mới: Lần đầu tiên sản xuất thành công chip nano carbon

Cái tên Thung lũng Silicon nêu bật lên tầm quan trọng của silicon trong thời đại số: mọi đồ điện tử đều có dấu vết silicon, và nếu không có silicon ta sẽ không thể có được đồ điện tử. Với thành công mới của ngành nghiên cứu và sản xuất chip, ta không rõ lúc nào Thung lũng Ống Nano carbon sẽ xuất hiện.

Ở trong vi xử lý là các bóng bán dẫn - transistor, những “công tắc điện” siêu nhỏ liên tục đóng mở để dòng dữ liệu đi qua, cấu thành những phép tính phức tạp sẽ được hiển thị trên màn hình. Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học sử dụng bóng bán dẫn là ống nano carbon thay cho vật liệu silicon truyền thống. 

Ta có được con chip máy tính đầu tiên sử dụng hàng ngày ống nano carbon để vận hành chương trình máy tính.

Các nhà khoa học sử dụng bóng bán dẫn là ống nano carbon thay cho vật liệu silicon truyền thống.

Theo mô tả trên tạp chí khoa học Nature số ra ngày 29 tháng Tám, thiết bị mẫu vẫn chưa đạt được tốc độ xử lý của các con chip silicon trên thị trường. Nhưng trong tương lai, ống nano carbon sẽ mở đường cho một xu thế mới, một thế hệ chip nhanh hơn, tận dụng năng lượng hiệu quả hơn, không cần tới silicon nguyên chất để chế tạo đồ điện tử nữa.

Đây là “cột mốc rất quan trọng trong lộ trình phát triển công nghệ này”, nhà khoa học vật chất Qing Cao, người công tác tại Đại học Illinois và không tham gia nghiên cứu, nói với báo giới.

Thứ làm nên bóng bán dẫn là các chất bán dẫn, vốn được làm từ silicon cực kỳ nguyên chất với khả năng dẫn điện lẫn cách điện. Trạng thái bật và tắt của bóng bán dẫn được dùng để chỉ trạng thái dòng điện có chạy qua hay không, đó cũng chính là hai ký tự 0 và 1 - ADN của một cái máy tính.

Bằng việc giảm kích cỡ bóng bán dẫn xuống, sức mạnh tính toán sẽ càng cao. Nhưng định luật Moore không cho ta làm vậy: bóng bán dẫn có giới hạn dưới của nó, sẽ đến lúc ta không thể làm cho nó nhỏ hơn được nữa.

Ống nano carbon có tiềm năng giải quyết được vấn đề kích cỡ này, khi mà động rộng của ống tính bằng đơn vị nguyên tử; hơn nữa, chúng làm tròn vị trí chất bán dẫn hơn cả silicon. Trên lý thuyết, vi xử lý nano carbon chạy nhanh hơn 3 lần mà chỉ sử dụng khoảng ⅓ lượng điện năng một con chip silicon thường tiêu thụ. Tuy nhiên, công nghệ hiện tại chưa cho phép ta dựng thành công được một chip nano carbon phức tạp.

Bóng bán dẫn nano carbon có bề ngang gần một micromet.

Khi đặt một mạng lưới ống nano carbon lên tấm nền chip, các ống thường rối lại với nhau thành từng cụm. Các nhà nghiên cứu so sánh việc sản xuất chip nano carbon như “cố gắng lát gạch nhưng lại có hòn đá tảng nằm lù lù ở giữa sân”. Nhóm nghiên cứu đã thử trải ống nano carbon lên chip rồi tiến hành rung toàn bộ hệ thống này nhằm gạt những ống nano không mong muốn khỏi bề mặt chip.

Họ đã thành công bước đầu.

Còn một trở ngại khác nữa, đó là cứ với mỗi mẻ ống nano carbon, sẽ lẫn khoảng 0.01% ống nano kim loại. Bởi lẽ ống nano kim loại không thể trở thành chất bán dẫn (do không thể vừa truyền điện, vừa cách điện một cách hiệu quả), chúng sẽ giảm hiệu năng con chip.

Họ khám phá ra rằng ống nano lỗi ảnh hưởng đặc biệt nhiều một số bóng bán dẫn nhất định, giống như việc một số từ bị sai chính tả đến mức ta không luận ra được nghĩa, nhưng ta vẫn hiểu được một số những từ sai chính tả khác. Vậy nên nhóm nghiên cứu tập trung vào những chip ít bị ảnh hưởng bởi ống nano kim loại.

Bằng các bóng bán dẫn chứa hơn 14.000 ống nano carbon, sản phẩm vi xử lý có thể vận hành một phần mềm đơn giản. Trên màn hình hiện dòng chữ “Hello, world!”, đây là những ký tự đầu tiên hình thành từ một chương trình máy tính chạy trên chip nano carbon.

Bóng bán dẫn nano carbon có bề ngang gần một micromet, bóng bán dẫn silicon chỉ vỏn vẹn 10 nano-mét thôi; hơn nữa, bóng nano carbon chỉ bật tắt được khoảng 1 triệu lần mỗi giây, còn bóng silicon có thể bật tắt hàng tỷ lần/giây. Rõ ràng chip nano carbon chưa thể đánh bật được vị thế chip silicon, nhưng thành công nào chẳng có bước đầu tiên? Công nghệ bóng bán dẫn nano carbon hiện tại mới ngang ngửa công nghệ sản xuất chip của thập niên 80, nhưng bạn cứ nhìn công nghệ chip đã đi được bao xa mà xem.