Một chip máy tính là hàng triệu đến hàng chục tỷ transistor siêu nhỏ, mỗi cái hoạt động như một công tắc điện được bật tắt bằng điện áp chứ không bằng tay. Ghép các công tắc lại theo những cách nhất định tạo ra cổng logic (AND, OR, NOT, NAND), ghép cổng logic tạo ra mạch cộng, bộ nhớ, bộ điều khiển, và cuối cùng là bộ vi xử lý chạy phần mềm của bạn.
Loại transistor thống trị là MOSFET: điện áp đặt lên một điện cực cách điện gọi là cổng sẽ hút hạt mang điện tạo thành một kênh dẫn mỏng trong silicon, cho dòng chạy giữa hai đầu nguồn và máng. Bỏ điện áp, kênh biến mất, công tắc mở. Toàn bộ ngành bán dẫn, từ vật liệu đến nhà máy hàng chục tỷ đô la, phục vụ một mục tiêu: làm công tắc này nhỏ hơn, nhanh hơn, tốn ít điện hơn và in được hàng tỷ cái gần như không lỗi trên một mẩu silicon cỡ móng tay.
Silicon và phép pha tạp: tạo ra hai loại vật liệu từ một nguyên tố
Silicon tinh khiết là chất bán dẫn: mỗi nguyên tử liên kết cộng hoá trị với bốn nguyên tử lân cận, gần như mọi electron bị giữ trong liên kết. Để một electron thoát ra dẫn điện, nó cần năng lượng tối thiểu bằng độ rộng vùng cấm, khoảng 1,12 eV ở nhiệt độ phòng. Con số này vừa đủ lớn để silicon không dẫn điện bừa bãi, vừa đủ nhỏ để có thể điều khiển.
Sức mạnh thực sự đến từ pha tạp: đưa vào một lượng rất nhỏ nguyên tố khác. Phosphor có năm electron hoá trị, khi thay một nguyên tử silicon nó dư ra một electron gần như tự do, tạo silicon loại n (hạt mang điện chủ yếu là electron âm). Boron có ba electron hoá trị, để lại một chỗ trống gọi là lỗ trống, hành xử như hạt mang điện dương, tạo silicon loại p. Chỉ cần tỷ lệ cỡ một nguyên tử tạp chất trên hàng triệu nguyên tử silicon, độ dẫn điện đã thay đổi nhiều bậc độ lớn.
Đặt vùng p cạnh vùng n tạo ra tiếp giáp p–n. Electron từ phía n khuếch tán sang lấp lỗ trống phía p, để lại một vùng nghèo hạt mang điện với điện trường tích hợp ở giữa. Tiếp giáp này dẫn điện theo một chiều và chặn theo chiều kia, là cơ sở của diode, pin mặt trời, LED, và là thành phần của mọi transistor.
Độ tinh khiết yêu cầu khiến silicon điện tử thuộc nhóm vật liệu sạch nhất con người sản xuất: tạp chất không mong muốn phải ở mức phần tỷ hoặc thấp hơn, vì một nguyên tử kim loại lạc chỗ cũng có thể làm hỏng đặc tính điện của vùng xung quanh.
MOSFET: công tắc điều khiển bằng điện trường
Xét một nMOS: nền silicon loại p, hai vùng loại n pha tạp đậm ở hai bên gọi là nguồn (source) và máng (drain). Giữa chúng, phía trên bề mặt là một lớp cách điện rất mỏng, phía trên lớp cách điện là điện cực cổng (gate). Khi cổng ở 0 V, giữa nguồn và máng là vùng p, tạo hai tiếp giáp p–n đối đầu nhau, không dòng nào chạy qua được.
Khi đặt điện áp dương lên cổng, điện trường xuyên qua lớp cách điện đẩy lỗ trống ra xa bề mặt và hút electron về. Vượt một ngưỡng gọi là điện áp ngưỡng, bề mặt ngay dưới cổng có nhiều electron đến mức hoạt động như vùng loại n, gọi là lớp đảo. Lớp đảo nối nguồn với máng thành một kênh dẫn, dòng chạy được. Cổng được cách điện nên lý tưởng không có dòng chạy vào cổng; nó điều khiển chỉ bằng điện trường, giống như ngón tay điều khiển công tắc mà không cần chạm vào dòng điện.
pMOS là phiên bản đảo ngược: nền n, nguồn và máng loại p, dẫn khi cổng có điện áp thấp hơn nguồn. Năm 1963, Frank Wanlass tại Fairchild đề xuất ghép nMOS và pMOS thành CMOS (MOS bù). Mạch đảo CMOS đơn giản nhất gồm một pMOS nối lên nguồn và một nMOS nối xuống đất, cổng chung làm đầu vào: đầu vào cao thì nMOS dẫn kéo đầu ra xuống thấp, đầu vào thấp thì pMOS dẫn kéo đầu ra lên cao.
Ưu điểm quyết định của CMOS là ở trạng thái ổn định, luôn có một trong hai transistor tắt, nên gần như không có dòng chạy thẳng từ nguồn xuống đất. Điện năng chủ yếu chỉ tiêu tốn khi chuyển mạch. Chính đặc tính này cho phép tích hợp hàng tỷ transistor mà chip không tan chảy, và CMOS trở thành công nghệ chủ đạo từ thập niên 1980.
Từ công tắc đến máy tính: cổng logic, mạch cộng và bộ nhớ
Việc từ một công tắc điện đi đến chạy được một trình duyệt web là chuỗi trừu tượng hoá nhiều tầng. Mỗi tầng chỉ cần biết giao diện của tầng dưới.
- Cổng NAND: bốn transistor CMOS (hai pMOS song song, hai nMOS nối tiếp) cho đầu ra thấp chỉ khi cả hai đầu vào cao. NAND là cổng “vạn năng”: mọi hàm logic đều có thể xây chỉ từ NAND.
- Mạch cộng: một bộ cộng toàn phần một bit cộng hai bit và bit nhớ, cho ra bit tổng và bit nhớ mới, dựng từ vài chục transistor. Nối tiếp 64 bộ như vậy có thể cộng hai số 64 bit; chip thực tế dùng kiến trúc tính nhớ trước phức tạp hơn để không phải chờ bit nhớ lan qua từng tầng.
- Phần tử nhớ: hai mạch đảo nối vòng giữ một bit ổn định; thêm hai transistor truy cập tạo thành ô SRAM sáu transistor, dùng cho bộ nhớ đệm trong CPU. DRAM giữ bit bằng điện tích trong một tụ điện nhỏ cộng một transistor, rẻ và dày đặc hơn nhưng phải làm tươi liên tục vì điện tích rò dần.
- Đồng hồ và đường ống: một tín hiệu xung nhịp đồng bộ hoá việc chuyển dữ liệu giữa các tầng mạch. Tần số vài gigahertz nghĩa là mỗi chu kỳ chỉ vài phần nghìn tỷ giây, trong đó tín hiệu phải đi qua chuỗi cổng logic và ổn định trước nhịp kế tiếp.
- Bộ vi xử lý: tập hợp các khối số học, thanh ghi, bộ giải mã lệnh, bộ nhớ đệm, bộ dự đoán rẽ nhánh. Bộ xử lý của điện thoại hay máy tính xách tay đời mới chứa hàng chục tỷ transistor, phần lớn dành cho bộ nhớ đệm và các lõi xử lý chuyên dụng.
Điều đáng ngạc nhiên không phải là từng tầng phức tạp, mà là các tầng đủ tách biệt để kỹ sư thiết kế phần mềm không cần nghĩ tới điện áp ngưỡng, và kỹ sư thiết kế transistor không cần biết chip sẽ chạy chương trình gì.
Vì sao chip tiêu tốn điện và nóng lên
Mỗi nút trong mạch CMOS có một điện dung nhỏ. Mỗi lần đầu ra chuyển từ thấp lên cao, điện dung đó được nạp; chuyển ngược lại, điện tích được xả xuống đất. Công suất chuyển mạch xấp xỉ P ≈ α × C × V² × f, với α là tỷ lệ nút chuyển trạng thái mỗi chu kỳ, C là điện dung, V là điện áp nguồn và f là tần số. Điện áp xuất hiện dưới dạng bình phương, nên giảm điện áp là cách hiệu quả nhất để tiết kiệm điện.
Năm 1974, Robert Dennard và cộng sự tại IBM mô tả quy tắc thu nhỏ: khi kích thước transistor giảm theo một hệ số, nếu giảm điện áp theo cùng hệ số thì mật độ công suất giữ nguyên trong khi tốc độ tăng. Quy tắc này, gọi là thu nhỏ Dennard, giải thích vì sao trong ba thập kỷ chip vừa nhanh hơn vừa không nóng hơn tính trên mỗi milimet vuông.
Đến giữa thập niên 2000, quy tắc đó gãy. Điện áp không thể giảm tiếp tương ứng vì điện áp ngưỡng không giảm được mãi mà không làm transistor rò điện khi tắt. Lớp cách điện cổng mỏng chỉ vài lớp nguyên tử khiến electron xuyên hầm lượng tử qua nó. Dòng rò, vốn không đáng kể, trở thành một phần lớn tổng công suất. Kết quả quan sát được trên thị trường: tần số xung nhịp CPU dừng lại quanh vài gigahertz từ đó tới nay, và ngành chuyển sang tăng số lõi, chip chuyên dụng và tối ưu kiến trúc thay vì tăng tần số.
Đây cũng là lý do điện thoại hạ tốc độ khi nóng: chip có thể chạy nhanh hơn trong thời gian ngắn, nhưng nhiệt sinh ra vượt khả năng tản nhiệt của một thiết bị mỏng không quạt.
Từ phẳng đến ba chiều: dòng thời gian của cấu trúc transistor
Lịch sử chi tiết của bóng bán dẫn thuộc một chủ đề riêng; ở đây chỉ điểm những mốc giải thích được cấu trúc của chip hiện nay.
- 1947–1948: nhóm Bell Labs (John Bardeen, Walter Brattain, rồi William Shockley với transistor tiếp giáp) tạo ra transistor đầu tiên, giải Nobel Vật lý 1956.
- 1958–1959: Jack Kilby tại Texas Instruments và Robert Noyce tại Fairchild độc lập tạo mạch tích hợp; cách làm phẳng của Fairchild trở thành nền tảng sản xuất.
- 1959: Mohamed Atalla và Dawon Kahng tại Bell Labs chế tạo MOSFET silicon.
- 1965: Gordon Moore quan sát số linh kiện trên chip tăng gấp đôi mỗi năm, năm 1975 điều chỉnh thành mỗi hai năm. “Định luật Moore” là một quan sát và mục tiêu của ngành, không phải định luật vật lý.
- Thập niên 2000: silicon căng và vật liệu cách điện cổng có hằng số điện môi cao thay silicon dioxide để giảm rò.
- Đầu thập niên 2010: FinFET đưa kênh dẫn lên thành một vây đứng, cổng bọc ba mặt, kiểm soát kênh tốt hơn hẳn transistor phẳng ở kích thước nhỏ. Intel đưa vào sản xuất hàng loạt ở thế hệ 22 nm.
- Đầu thập niên 2020: cổng bao quanh (GAA), kênh dẫn là các tấm nano xếp chồng được cổng bao kín bốn mặt, bắt đầu được các xưởng đúc lớn đưa vào sản xuất ở các thế hệ “3 nm” và “2 nm”.
Cần lưu ý: tên gọi thế hệ như “3 nm” từ lâu đã là nhãn thương mại, không tương ứng với một kích thước vật lý cụ thể nào trên transistor. So sánh tiến trình giữa các hãng nên dựa vào mật độ transistor và đặc tính đo được, không dựa vào con số trong tên.
Một con chip được làm ra như thế nào: các công đoạn chính
Sản xuất chip hiện đại gồm hàng trăm đến hơn một nghìn bước, lặp lại một số thao tác cơ bản cho từng lớp. Trình tự rút gọn như sau.
- Tạo phôi: silicon siêu tinh khiết được kéo thành thỏi đơn tinh thể, cắt thành tấm wafer đường kính 300 mm và đánh bóng phẳng ở cấp nguyên tử.
- Quang khắc: phủ một lớp cảm quang, chiếu ánh sáng qua mặt nạ mang hình mạch, hiện hình để lộ vùng cần xử lý. Các lớp nhỏ nhất ở thế hệ tiên tiến dùng tia cực tím cực ngắn (EUV) bước sóng 13,5 nm; máy quang khắc EUV hiện chỉ một công ty trên thế giới (ASML của Hà Lan) cung cấp.
- Khắc: dùng plasma hoặc hoá chất loại bỏ vật liệu ở vùng không được che, tạo hình ba chiều.
- Cấy ion và ủ nhiệt: bắn ion tạp chất vào silicon để tạo vùng n và p với nồng độ, độ sâu kiểm soát chính xác, rồi ủ nhiệt để chúng vào đúng vị trí mạng tinh thể.
- Lắng đọng và mài phẳng: phủ các lớp cách điện, kim loại cổng, rồi mài phẳng bằng hoá–cơ để lớp kế tiếp nằm trên mặt bằng tuyệt đối.
- Đi dây kim loại: hơn chục lớp dây đồng nối các transistor lại với nhau, từ dây mảnh cục bộ đến dây to cấp nguồn.
- Kiểm thử, cắt, đóng gói: kiểm từng chip trên wafer, cắt rời, gắn vào vỏ có chân tiếp xúc, kiểm lần cuối. Khâu đóng gói và kiểm thử là phần chuỗi giá trị Việt Nam đang tham gia rõ nhất, tiêu biểu là nhà máy của Intel tại Khu Công nghệ cao TP.HCM.
Tỷ lệ chip đạt chuẩn trên mỗi wafer, gọi là hiệu suất thu hồi (yield), quyết định giá thành. Một hạt bụi kích thước vài chục nanomet rơi đúng chỗ có thể làm hỏng một chip, đó là lý do phòng sạch sạch hơn phòng mổ bệnh viện nhiều bậc.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao dùng silicon mà không dùng vật liệu bán dẫn tốt hơn như gallium arsenide?
Gallium arsenide cho electron di chuyển nhanh hơn, nhưng silicon có một lợi thế quyết định: oxit của nó là silicon dioxide, một chất cách điện chất lượng cao mọc trực tiếp trên bề mặt, rất thuận cho chế tạo MOSFET. Silicon còn rẻ, dồi dào, bền cơ học và có hệ sinh thái sản xuất khổng lồ. Vật liệu III-V và gallium nitride được dùng ở mảng chuyên biệt như cao tần và điện tử công suất.
Transistor có thể nhỏ tới mức nào trước khi lượng tử ngăn cản?
Không có một bức tường duy nhất. Khi kênh dẫn chỉ còn vài nanomet, electron có thể xuyên hầm từ nguồn sang máng ngay cả khi transistor tắt, và sự dao động ngẫu nhiên của vài nguyên tử tạp chất làm các transistor không còn giống nhau. Ngành đang đi tiếp bằng cấu trúc ba chiều, xếp chồng transistor và vật liệu kênh mới thay vì chỉ thu nhỏ chiều ngang.
Chip nhớ flash trong ổ SSD lưu dữ liệu thế nào khi mất điện?
Mỗi ô nhớ flash là một transistor có thêm một lớp giữ điện tích, cổng nổi hoặc lớp bẫy điện tích, cách điện hoàn toàn. Electron được đưa vào lớp này bằng điện áp cao và bị giữ lại nhiều năm, làm thay đổi điện áp ngưỡng của transistor. Đọc dữ liệu là đo điện áp ngưỡng đó. Mỗi lần ghi xoá làm lớp cách điện xuống cấp dần, nên flash có giới hạn số lần ghi.
Thiết kế chip và sản xuất chip khác nhau thế nào trong ngành?
Nhiều công ty chỉ thiết kế chip mà không sở hữu nhà máy, gọi là mô hình fabless, rồi thuê xưởng đúc sản xuất. Xưởng đúc chuyên sản xuất theo thiết kế của khách hàng. Một số ít công ty làm cả hai. Ngoài ra còn các công ty chuyên đóng gói, kiểm thử, cung cấp phần mềm thiết kế và thiết bị, tạo thành một chuỗi cung ứng phân tán toàn cầu.
Vì sao chip mới lại tiết kiệm pin hơn dù mạnh hơn?
Transistor nhỏ hơn có điện dung nhỏ hơn và chạy được ở điện áp thấp hơn, nên mỗi phép tính tốn ít năng lượng hơn. Kiến trúc mới còn dùng lõi hiệu năng cao xen lõi tiết kiệm điện, tắt hẳn các khối không dùng và giao việc cho khối chuyên dụng như xử lý ảnh hay học máy, vốn hiệu quả hơn nhiều so với để CPU đa dụng làm.
Định luật Moore đã kết thúc chưa?
Tuỳ cách định nghĩa. Số transistor trên chip cao cấp vẫn tăng, nhưng nhịp độ chậm lại và chi phí cho mỗi transistor không còn giảm đều như trước. Lợi ích về tốc độ và điện năng từ thu nhỏ đơn thuần đã giảm nhiều sau khi thu nhỏ Dennard chấm dứt. Phần lớn tiến bộ hiện nay đến từ đóng gói tiên tiến, ghép nhiều chip nhỏ và kiến trúc chuyên dụng.