Intel dự báo, mật độ bóng bán dẫn trên chip sẽ còn cao gấp 50 lần hiện nay

Chưa cần đến các công nghệ cao xa như điện toán lượng tử, Intel tin rằng, các tiến bộ của những công nghệ hiện tại vẫn đủ sức đáp ứng nhu cầu về sức mạnh điện toán trong hàng thập kỷ nữa.

Nếu vào đầu những năm 1960, mỗi con chip dùng chỉ chứa một lượng nhỏ bóng bán dẫn, thì đến hiện tại, các con chip trong mỗi laptop hoặc smartphone của bạn đều chứa đến hàng tỷ bóng bán dẫn. Đà tăng trưởng này dựa trên định luật Moore, với số lượng bóng bán dẫn trên mỗi con chip sẽ tăng gấp đôi sau mỗi 2 năm.

Nhưng giờ đây quá trình này dường như đang ngừng lại khi kích thước bóng bán dẫn đã tiệm cận đến các giới hạn vật lý, và số tiền bỏ ra để thu nhỏ mỗi con chip đang ngày càng tăng lên. Vì vậy, đang có nhiều dự tính cho rằng Định luật Moore cuối cùng đã đi tới hồi kết. Tuy vậy, có lẽ dự báo vẫn chỉ là dự báo, Intel, nơi khai sinh ra Định luật Moore tin rằng họ đã tìm ra cách để kéo dài sự sống của nó lâu hơn nữa.

Trong một bài thuyết trình của Intel tại Hội nghị Hot Chips, người đứng đầu về kiến trúc chip của Intel, ông Raja Koduri, đã đưa ra lộ trình để gia tăng mật độ bóng bán dẫn – hay số lượng bóng bán dẫn trên mỗi con chip – có thể tăng thêm 50 lần so với hiện tại.

“ Chúng tôi tin tưởng chắc chắn rằng mật độ bóng bán dẫn vẫn còn gia tăng thêm nhiều hơn nữa.” Ông Koduri cho biết. “ Tầm nhìn này sẽ đến theo thời gian – có thể trong khoảng 1 thập kỷ hoặc hơn nữa – nhưng nó sẽ đến.”

Điều gì khiến Intel lạc quan đến như vậy?

Số người nói đến sự kết thúc của Định luật Moore đang ngày càng nhiều thêm đến nỗi ông Peter Lee, phó chủ tịch Microsoft Research, đã từng nói về họ như sau: “Số lượng người dự báo cái chết của Định luật Moore đang tăng gấp đôi sau mỗi năm.” Cho đến nay, tốc độ tăng của số lượng các nhà tiên tri này đã chậm lại còn ngành công nghiệp chip vẫn đang tránh né cái chết của định luật Moore bằng cách sáng tạo mới của mình.

Ông Koduri tin rằng xu hướng này sẽ tiếp tục diễn ra trong thập kỷ này và ông đang vạch ra lộ trình các sáng tạo chip tiếp theo mà Intel cho rằng chúng sẽ giúp gia tăng hơn nữa sức mạnh điện toán.

Sự tiến hóa của ngành chip từ chip phẳng sang chip FinFET.

Đầu tiên, các kỹ sư có thể tiếp tục thu nhỏ hơn nữa các bóng bán dẫn hiện nay. Kể từ khi ra mắt lần đầu trong những năm 2010 đến nay, các bóng bán dẫn FinFET đã đẩy công nghệ chip vượt qua các tiến trình 14nm và 10nm. Không những thế, ông Koduri tin rằng, FinFET sẽ còn gia tăng mật độ bóng bán dẫn lên gấp 3 hiện nay trước khi đi đến giới hạn của nó.

Kế tiếp FinFET, một thế hệ chip mới sẽ đến từ công nghệ bóng bán dẫn dây nano (hay còn gọi với cái tên các bóng bán dẫn với cổng bao quanh GAA-FET). Dưới đây là cách hoạt động của bóng bán dẫn loại mới này.

Một bóng bán dẫn được tạo thành từ 3 thành phần cơ bản: cực nguồn – nơi dòng điện đi vào, cực cổng và kênh dẫn, nơi dòng điện đi qua một cách có điều khiển và cực máng. Cực cổng giống như một công tắc trong bản mạch điện vậy. Nó giúp kiểm soát lượng điện đi vào kênh dẫn. Một bóng bán dẫn ở trạng thái “ON” (hay bật) khi cực cổng cho phép dòng điện đi qua, và ở trạng thái “OFF” (hay tắt) khi không có dòng điện nào đi qua.

Vì thế, khi thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn, kéo theo kích thước cực cổng cũng giảm theo, dòng điện càng khó điều khiển hơn. Chính vì vậy, trong quá trình thu nhỏ bóng bán dẫn, ngành công nghiệp này đã chuyển từ dạng bóng bán dẫn phẳng sang bóng bán dẫn 3D dạng FinFET.

Sự tiến hóa về hình dạng bóng bán dẫn, từ thiết kế dạng phẳng cho đến dạng FinFET và tiếp sau đó là dạng GAA-FET

FinFET cho phép kiểm soát dòng điện tốt hơn khi kênh dẫn được cực cổng bao quanh ở 3 mặt. Còn với thiết kế dây nano, khả năng kiểm soát này được tăng cường hơn nữa khi kênh dẫn được bao quanh cả 4 mặt (vì vậy, nó mới có tên cổng bao quanh). Thiết kế bóng bán dẫn này đã được nghiên cứu từ nhiều năm nay và dự kiến sẽ ra mắt trong khoảng năm 2025. Ông Koduri cho rằng, sau thế hệ bóng bán dẫn dây nano đầu tiên sẽ là các bóng bán dẫn với dây nano xếp chồng lên nhau cho phép tăng mật độ bóng bán dẫn lên gấp 4 lần.

Chồng chất các bóng bán dẫn lên nhau

Thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn không phải cách làm duy nhất để gia tăng mật độ bóng bán dẫn, ngoài ra còn xây dựng con chip theo hướng 3D.

Điều này tương tự như các tòa nhà cao tầng giúp gia tăng mật độ dân số trong thành phố khi tăng thêm không gian có thể sử dụng trên cùng một diện tích đất. Chính vì vậy, gần đây Intel đã ra mắt thiết kế chip Foveros. Thay vì đặt các thành phần của con chip nằm sát cạnh nhau trong một dải silicon 2D, họ xếp chồng chúng lên nhau như các lớp bánh ngọt. Việc xếp chồng chip không phải điều quá mới mẻ, nhưng nó đang ngày càng tiến bộ và đã được áp dụng trong các CPU đa dụng, như con chip trong điện thoại và laptop của bạn.

Thiết kế xếp chồng chip Foveros của Intel với các thành phần của con chip được đặt chồng lên nhau.

Theo ông Koduri, việc xếp chồng chip 3D này sẽ giúp tăng gấp 4 lần mật độ bóng bán dẫn.

Nhu cầu về sức mạnh điện toán vẫn chưa kết thúc

Những công nghệ được ông Koduri vạch ra là một sự tiến hóa của chính các công nghệ đang được sử dụng hiện nay. Điều đó có nghĩa là, chúng ta vẫn chưa cần đến các công nghệ như điện toán lượng tử hoặc các bóng bán dẫn ống nano mới có thể tăng cường hoặc thay thế các chip silicon hiện nay. Thay vào đó, nó cho thấy, theo thời gian, ngành công nghiệp chip sẽ thúc đẩy sự sáng tạo dựa trên thiết kế sản phẩm cốt lõi của nó để tiếp tục đạt được lợi nhuận trong thập kỷ tới.

Nhưng liệu tầm nhìn này của Intel có trở thành sự thật hay không vẫn là một điều chưa chắc chắn.

Gần đây, nhà sản xuất chip khổng lồ này đang đối mặt với nhiều khó khăn khi họ đã mất đến 5 năm nhưng vẫn chưa hoàn toàn chuyển từ các chip 14nm sang 10nm. Mới đây nhất, công ty thông báo họ lại phải trì hoãn thêm 6 tháng nữa cho các chip tiến trình 7nm của mình, vốn đã đi sau lộ trình và các đối thủ khác.

Đó là một minh chứng cho thấy, các nhà sản xuất chip vẫn đang tiếp tục tiến bộ hơn, nhưng việc thu nhỏ con chip đang trở nên ngày càng khó hơn, đắt đỏ hơn và thời gian tiếp tục bị kéo dài ra.

Câu hỏi giờ đây không còn là việc Intel hay các đối thủ có nhồi nhét thêm bóng bán dẫn vào trong con chip hay không, mà giờ đây điều đó sẽ mất bao lâu và tốn kém như thế nào để làm như vậy? Trong khi đó nhu cầu về sức mạnh điện toán vẫn đang ngày càng lớn hơn.

Hiện tại, Amazon, Microsoft, Alphabet, Apple và Facebook đang chiếm tới 20% tổng giá trị vốn hóa của thị trường cổ phiếu. Với thước đo đó, công nghệ đang là ngành công nghiệp thống trị nhất trong vòng 70 năm nay. Và các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo, thực tế ảo cũng như Internet of Things cùng xe tự lái, vẫn đang cần đến những con chip tốt hơn nữa. Đó sẽ là động lực lớn nhất để thúc đẩy ngành điện toán vượt xa hơn nữa các giới hạn hiện nay.