Nếu như cơ thể sinh vật được tạo nên từ cacbon thì máy tính cũng có "linh hồn" riêng của nó: silicon Nguyên tố này đã cân cả ngành công nghệ hơn 50 năm nay, từ mấy cái máy tính "khổng lồ" to bằng cả phòng ngày xưa cho đến cái smartphone bé tí tẹo trong túi bạn bây giờ. Nhưng mà khi các bóng bán dẫn trong chip ngày càng "mini" thì silicon cũng bắt đầu lộ "điểm yếu" rồi đó. Và đây chính là lúc người ta phải "đi tìm người yêu mới" thôi!
Silicon đã "thống trị" ngành bán dẫn mấy chục năm rồi nha
Trái Đất là hành tinh đất đá nên có silicon nhiều vô kể, chủ yếu là nằm trong cát ấy. Vì phổ biến quá nên giá nguyên liệu thô làm chip "rẻ như bèo" luôn. Nhưng điểm "chất" nhất giúp silicon lên ngôi "vua bán dẫn" chính là khả năng tạo lớp oxit tự nhiên (SiO₂) siêu ổn định khi gặp oxy. Lớp này là chất cách điện "xịn xò", nhờ đó mới làm được các cực điều khiển (gate) của bóng bán dẫn chuẩn không cần chỉnh.
Từ những năm 1960 trở đi, ngành chip đã "flex" việc thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn silicon cứ mỗi hai năm theo Định luật Moore. Nhưng khi xuống dưới 32 nanomét (nm) thì "tốc độ này bắt đầu giảm tốc" rồi Khi còn 3 nm hoặc nhỏ hơn, bề mặt silicon trở nên "gồ ghề lởm chởm" khiến electron chạy "loạn cào cào", gây rò rỉ điện nặng nề.
Vật liệu 2D lên sàn, silicon phải "dè chừng"
Đây là lúc vật liệu 2D xuất hiện như "main character" mới! Loại vật liệu này chỉ dày từ một đến vài nguyên tử thôi chứ không phải mạng lưới lập phương "dày cộm" như silicon. Gọi là 2D vì nó mỏng "như lời hứa của crush" vậy, gần như không có chiều dày Độ mỏng này "bắt" các electron phải đi thẳng hàng trên một mặt phẳng thay vì chạy lung tung nhiều hướng. Nhờ đó mà các cực điều khiển kiểm soát dòng điện tốt hơn hẳn, giúp ngắt/mở dòng điện "sạch sẽ" và hạn chế rò rỉ điện.
Trong đó, chất molybden disulfua (MoS₂) đang được coi là "ứng viên vàng" đấy! Đây là chất rắn màu xám đen, trong tự nhiên tồn tại dưới dạng khoáng vật molybdenite có nhiều ở các mỏ quặng tại Bắc Mỹ và Mexico.
MoS₂: "Rising star" của thế giới chip
Cấu trúc của MoS₂ trông như bánh sandwich vậy: một lớp nguyên tử molybden nằm giữa hai lớp lưu huỳnh (S), dày chỉ khoảng 0,65 nm thôi. Electron chỉ có thể đi ở lớp molybden giữa hoặc là... không đi luôn Vì thế mà nó chuyển đổi giữa trạng thái "dẫn điện" và "cách điện" dễ như trở bàn tay, cho phép làm ra các bóng bán dẫn siêu nhỏ mà vẫn "ngon lành" về hiệu suất năng lượng. Năm 2023, một nhóm nghiên cứu từ Đại học Bắc Kinh đã "flex" việc sản xuất được nhiều tấm wafer MoS₂ có đường kính từ 5 – 30,5 cm luôn nha!
Ống nano carbon cũng "không phải dạng vừa đâu"
Bên cạnh MoS₂, còn có ống nano carbon cũng "xịn sò" không kém. Đây là các tấm graphene (than chì nhưng chỉ có một lớp nguyên tử cacbon) được cuộn lại thành ống cực nhỏ. Electron chạy trên đó nhanh "như gió", tản nhiệt tốt, giúp truyền tải điện nhanh hơn silicon hẳn.
Thách thức ở đây là làm sao sắp xếp hàng tỷ ống nano thẳng hàng "chuẩn chỉnh" trên diện tích siêu nhỏ. Nghe thì "khó nhằn" nhưng vẫn làm được nha! Các kỹ sư tại MIT đã từng chế tạo thành công một bộ vi xử lý 16-bit hoàn chỉnh từ ống nano cacbon hồi năm 2019 rồi đấy.
Chất indium selenua (InSe) cũng là một vật liệu "tiềm năng" khác, nhưng nó hơi khó kiếm và có ít nhất 5 trạng thái tinh thể khác nhau, mà chỉ có vài trạng thái phù hợp để làm chip thôi
Nguồn: tinhte.vn
Silicon đã "thống trị" ngành bán dẫn mấy chục năm rồi nha
Trái Đất là hành tinh đất đá nên có silicon nhiều vô kể, chủ yếu là nằm trong cát ấy. Vì phổ biến quá nên giá nguyên liệu thô làm chip "rẻ như bèo" luôn. Nhưng điểm "chất" nhất giúp silicon lên ngôi "vua bán dẫn" chính là khả năng tạo lớp oxit tự nhiên (SiO₂) siêu ổn định khi gặp oxy. Lớp này là chất cách điện "xịn xò", nhờ đó mới làm được các cực điều khiển (gate) của bóng bán dẫn chuẩn không cần chỉnh.
Từ những năm 1960 trở đi, ngành chip đã "flex" việc thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn silicon cứ mỗi hai năm theo Định luật Moore. Nhưng khi xuống dưới 32 nanomét (nm) thì "tốc độ này bắt đầu giảm tốc" rồi Khi còn 3 nm hoặc nhỏ hơn, bề mặt silicon trở nên "gồ ghề lởm chởm" khiến electron chạy "loạn cào cào", gây rò rỉ điện nặng nề.
Vật liệu 2D lên sàn, silicon phải "dè chừng"
Đây là lúc vật liệu 2D xuất hiện như "main character" mới! Loại vật liệu này chỉ dày từ một đến vài nguyên tử thôi chứ không phải mạng lưới lập phương "dày cộm" như silicon. Gọi là 2D vì nó mỏng "như lời hứa của crush" vậy, gần như không có chiều dày Độ mỏng này "bắt" các electron phải đi thẳng hàng trên một mặt phẳng thay vì chạy lung tung nhiều hướng. Nhờ đó mà các cực điều khiển kiểm soát dòng điện tốt hơn hẳn, giúp ngắt/mở dòng điện "sạch sẽ" và hạn chế rò rỉ điện.
Trong đó, chất molybden disulfua (MoS₂) đang được coi là "ứng viên vàng" đấy! Đây là chất rắn màu xám đen, trong tự nhiên tồn tại dưới dạng khoáng vật molybdenite có nhiều ở các mỏ quặng tại Bắc Mỹ và Mexico.
MoS₂: "Rising star" của thế giới chip
Cấu trúc của MoS₂ trông như bánh sandwich vậy: một lớp nguyên tử molybden nằm giữa hai lớp lưu huỳnh (S), dày chỉ khoảng 0,65 nm thôi. Electron chỉ có thể đi ở lớp molybden giữa hoặc là... không đi luôn Vì thế mà nó chuyển đổi giữa trạng thái "dẫn điện" và "cách điện" dễ như trở bàn tay, cho phép làm ra các bóng bán dẫn siêu nhỏ mà vẫn "ngon lành" về hiệu suất năng lượng. Năm 2023, một nhóm nghiên cứu từ Đại học Bắc Kinh đã "flex" việc sản xuất được nhiều tấm wafer MoS₂ có đường kính từ 5 – 30,5 cm luôn nha!
Ống nano carbon cũng "không phải dạng vừa đâu"
Bên cạnh MoS₂, còn có ống nano carbon cũng "xịn sò" không kém. Đây là các tấm graphene (than chì nhưng chỉ có một lớp nguyên tử cacbon) được cuộn lại thành ống cực nhỏ. Electron chạy trên đó nhanh "như gió", tản nhiệt tốt, giúp truyền tải điện nhanh hơn silicon hẳn.
Thách thức ở đây là làm sao sắp xếp hàng tỷ ống nano thẳng hàng "chuẩn chỉnh" trên diện tích siêu nhỏ. Nghe thì "khó nhằn" nhưng vẫn làm được nha! Các kỹ sư tại MIT đã từng chế tạo thành công một bộ vi xử lý 16-bit hoàn chỉnh từ ống nano cacbon hồi năm 2019 rồi đấy.
Chất indium selenua (InSe) cũng là một vật liệu "tiềm năng" khác, nhưng nó hơi khó kiếm và có ít nhất 5 trạng thái tinh thể khác nhau, mà chỉ có vài trạng thái phù hợp để làm chip thôi
Nguồn: tinhte.vn