CPU có thể nhỏ đến mức như thế nào ?.
Trong thế kỉ 20 những nhà sáng chế đã tạo ra những thiết bị mà chúng ta thường xuyên phải phụ thuộc vào nó .
Một trong những phát minh quan trọng đó chính là Bóng bán dẫn ( Transistor ) . Được phát triển vào năm 1947 do những kỹ sư làm việc tại Bell Laboratories , mục đích ban đầu của Transistor chính là khuếch đại âm thanh lên đường dây điện thoại . Transistor đã thay thế cho công nghệ cũ , ống chân không . Những bóng đèn dùng ống chân không tin cậy , to lớn và tạo ra quá nhiều nhiệt .
Transistor đầu tiên là loại tiếp xúc điểm có chiều cao 1.27cm . Bóng bán dẫn chưa thực sự mạnh mẽ nhưng những nhà vật lí đã nhận ra được tiềm năng của thiết bị này . Những nhà vật lí và những kỹ sư bắt đầu kết hợp những Transistor thành những thiết bị điện tử khác nhau . Và thời gian trôi qua , họ đã biết cách làm thế nào để tạo ra những Transistor nhỏ hơn và làm việc hiệu quả hơn .
Trong năm 1985 những kỹ sư đã gắn hai Transistor vào trong tinh thể Silicon và tạo ra mạch điện tích hợp đầu tiên trên thế giới . Mọi sự từ đó bắt đầu thay đổi , mạch tích hợp đã lót đường để phát triển bộ vi xử lí . Nếu so sánh máy tính với con người thì bộ vi xử lí chính là bộ óc . Nó làm những công việc tính toán và xử lí dữ liệu .
Cho tới những năm 1960 , một nhà khoa học máy tính ( và đồng sáng lập ra Intel ) Gordon Moore đã đưa ra một quan sát thú vị gọi là Luật Moore. Ông này cho rằng cứ mỗi 12 tháng , những kỹ sư có thể tăng gấp hai số lượng Transistor / inch2 Silicon . Các kỹ sư đã tìm cách để giảm kích thước Transistor . Chính nhờ vào những Transistor nhỏ mà chúng ta có những thiết bị điện tử như máy tính cá nhân , SmartPhone , thiết bị MP3 … Không có Transistor chúng ta có thể vẫn phải dùng những bóng chân không và những chuyển mạch cơ khí để làm những công việc tính toán .
Từ khi có Luật Moore , xu hướng thu nhỏ Transistor vẫn tiếp tục nhưng nó đã không bắt kịp . Cho tới nay số lượng Transistor tăng gấp đôi sau 24 tháng . Nhưng có câu hỏi đặt ra : những Transistor nhỏ đến mức như thế nào ?
Trong năm 1947 một Transistor có chiều cao hơn 1/100m . Ngày nay Intel đã chế tạo được những bộ vi xử lí bằng những Transistor có chiều rộng chỉ bằng 32nm ,1nm bằng 1/1tỉ mét . Intel và những nhà sản xuất khác đang chế tạo những Chip thế hệ mới bằng công nghệ 22nm và đang nghiên cứu công nghệ 1x-nm . Những một số nhà vật lí và kỹ sư nghĩ rằng chúng ta có thể chạm tới những giới hạn vật lí cơ bản với kích thước Transistor .
Bên trong Transistor
Trước khi đi tới giới hạn vật lí của Transistor , chúng ta cần biết Transistor có cấu tạo như thế nào và hoạt động của nó .
Đơn giản nhất , Transistor là một chiếc khóa và được làm từ loại vật chất đặc biệt . Có thể phân loại các chất theo cách thức dẫn điện của nó bằng ba loại : Dẫn điện , Cách điện và Bán dẫn .
Dòng điện dễ dang đi qua những vật liệu Dẫn điện , kim loại là chất dẫn điện tốt . Chất cách điện không cho dòng điện đi qua , các loại gốm , kính là chất cách điện tốt .
Chất Bán dẫn lại hơi khác . Chúng không đủ để dẫn điện như cách của kim loại làm nhưng lại có khả năng dẫn điện trong một điều kiện nào đó và Silicon chính là vật liệu như vậy . Trong một số trường hợp Silicon lại hoạt động như là chất dẫn điện và bằng cách điều khiển tính năng này mà nó có khả năng điều khiển luồng của các điện tử . Khái niệm đơn giản này chính là tiền đề cho hầu hết những thiết bị điện tử tiên tiến trên thế giới .
Những kỹ sư phát hiện rằng bằng cách dùng chất tương tự như kiểu kích thích ( doping ) , là một loại vật liệu đưa vào Silicon , chúng có thể kiểm soát tính dẫn điện . Họ đã bắt đầu từ một lớp cơ sở có tên gọi là lớp nền ( Substrate ) và đưa vào nó thêm loại vật liệu ( doping ) hoặc Nạp điện âm hoặc Nạp điện dương .
Vật liệu Nạp điện âm có những điện tử ( Electron ) thừa trong khi những vật liệu Nạp điện dương lại thiếu Electron . Những Transistor N-type có lớp nền Nạp điện dương và Transistor P-type có lớp nền Nạp điện âm .
Trên cơ sở này Transistor sẽ có ba cực : S ( Source ) , D ( Drain ) và G ( Gate ) .
G ở giữa vị trí của S và D nó hoạt động như một cách cửa mà qua đó có thể truyền điện áp vào Silicon nhưng lại không cho trở lại . G là lớp cách điện mỏng có tên gọi Lớp Oxid ( Oxide Layer ) có nhiệm vụ ngăn chặn những Electron chuyển ngược từ những điện cực .
Ví dụ cách điện nằm giữa G và lớp nền Nạp điện dương . S và D trong hình trên là những điện cực Nạp điện âm . Khi cấp điện áp dương tới G , nó hút những Electron tự do trong lớp nền Nạp điện dương tới Lớp Oxid của G . Điều đó tại thành Kênh Electron giữa cực S và D . Nếu sau đó cấp điện áp dương tới D , những Electron sẽ chảy giữa cực S và D . Nếu bỏ điện áp từ cực G , những Electron trong lớp nền không hút tới cực G và Kênh Electron bị mất . Điều đó có nghĩa là khi cấp điện áp dương tới cực G thì Transistor là trạng thái “ On” và không cấp điện áp này thì Transistor là “Off”.
Việc chuyển đổi trạng thái “On” và “Off” này trong điện sẽ được dịch thành dạng Bit và Byte trong thông tin .
Transistor trong thế giới Nano
Có vẻ như mỗi năm đều có những bài báo đề cập tới việc Transistor nhỏ đến mức do sự kết thúc của Luật Moore thì các kỹ sư lại tìm ra cách để tạo ra Transistor nhỏ hơn để chứng tỏ bài báo trên là sai .
Nhưng sự thực sẽ có một ngày chúng ta sẽ chạm tới giới hạn vật lí mà những Transistor truyền thống không thể nhỏ hơn được nữa bởi vì đã tới kích thước Nano và đó là thế giới kì quặc của Cơ học Lượng tử . Trong thế giới này vật chất và năng lượng hoạt động theo cách khác thường . Vật lí Lượng tử rất khác với Vật lí cổ điển , bạn không thể quan sát một thức gì đó trong Lượng tử mà không làm ảnh hưởng tới hành vi .
Một hiệu ứng Lượng tử đó chính là Đường hầm Electron . Khi vật liệu quá mỏng , có chiều dày 1nm ( dày bằng khoảng 10 nguyên tử ) những điện tử có thể xuyên qua như thể không gặp bất kì sự cản trở nào . Electron biến mất từ một bên rào cản và xuất hiện ở phía bên kia . Khi đó G có nhiệm vụ điều khiển luồng Electron gặp vấn đề . Nếu những Electron có thể qua G bất kì tình huống nào nên không có cách gì để điều khiển luồng của nó . Những Transistor bị rò , luồng những Electron không thể điều khiển được thì bộ vi xử lí không có tác dụng gì cả .
Những công ty như Intel hiện đã chế tạo được những Transistor có độ rộng 22nm bằng công nghệ High-K Metal . Intel đã thay thế cổng G Silicon và lớp cách điện SiO2 truyền thống bằng G kim loại với lớp cách điện bằng công nghệ High-K .
Trong khi những kỹ sư đã gặp một số trở ngại trong cuộc đua thu nhỏ Transistor trong quá khứ nhưng họ thường tìm ra một số cách để giải quyết vấn đề và theo kịp được với Luật Moore . Những ngày như thế có thể kết thúc khi chúng ta phải đối mặt với những nguyên tắc cơ bản của Vật lí .
Có khả năng những kỹ sư sẽ tìm ra cách để tạo ra chất cách li có độ dày 1nm . Nhưng ngay cả khi họ làm được điều đó thì họ cũng không thể làm ra được Transistor nhỏ hơn nữa . Sau thế giới Nano là thế giới của nguyên tử với những kích thước chỉ bằng vài nguyên tử .
Điều đó không có nghĩa là Transistor sẽ bị loại bỏ . Nhưng có thể có nghĩa là sự phát triển bộ vi xử lí sẽ chậm lại nhưng các công ty sẽ tìm ra cách để bộ vi xử lí làm việc hiệu quả hơn và mạnh hơn .
Cũng có khả năng những nhà sản xuất Chip sẽ tìm ra thứ thay thế cho Transistor hoặc tìm cách khai thác những hiệu ứng Lượng tử trong phạm vi Nano .
