Công nghệ vi xử lý mới trong tương lai gần (P2)

CÔNG NGHỆ III-V

Các nhà nghiên cứu của IBM đã trình diễn hiện tượng siêu dẫn cao nhất trên một cấu trúc thiết bị MOSFET kênh III-V tự cân bằng và tương thích với khả năng mở rộng của CMOS. Những loại vật liệu và cấu trúc sáng tạo này được kỳ vọng là sẽ mang tới khả năng mở rộng công nghệ xuống 7 nm và nhỏ hơn nữa. Với khả năng di chuyển điện tử cao hơn nhiều so với silicon, việc tích hợp các vật liệu III-V vào trong CMOS cho phép đạt được hiệu năng cao hơn ở mức mật độ nguồn thấp hơn, qua đó cho phép cải thiện tỷ số công suất/hiệu năng để đáp ứng nhu cầu của điện toán đám mây và các hệ thống dữ liệu lớn.

ỐNG NA-NÔ CÁC-BON

Các nhà nghiên cứu của IBM đang làm việc trong lĩnh vực điện tử ống na-nô các-bon (carbon nanotube -CNT) và tìm hiểu xem liệu vật liệu CNT có thể thay thế được cho silicon ở dưới mức 7 nanomet hay không. Là một trong những hoạt động nhằm phát triển ống na- nô các-bon dựa trên mạch CMOS VLSI, mới đây IBM đã trình diễn lần đầu tiên trên thế giới các cổng CMOS NAND hai chiều sử dụng các transistor ống na-nô các- bon có độ dài cổng 50 nm.

IBM còn trình diễn năng lực để lọc ống na-nô các- bon đến mức độ tinh sạch cao nhất tới 99,99% và các transistor ở độ dài kênh 10 nm mà không bị suy giảm khả năng mở rộng - đây là kết quả mà chưa có một loại vật liệu nào khác có thể theo kịp.

Ống na-nô các-bon là những tấm nguyên tử đơn được cuộn lại thành một chiếc ống. Ống na-nô các- bon cấu thành phần lõi của một thiết bị transistor với khả năng hoạt động giống như bóng bán dẫn silicon hiện tại, nhưng tốt hơn nhiều. Chúng có thể được sử dụng để thay thế cho các transistor trong những chip được trang bị trong những máy chủ xử lý dữ liệu, những máy tính hiệu năng cao và điện thoại thông minh siêu nhanh.

Các transistor ống na-nô các-bon có thể hoạt động giống như là những thiết bị chuyển mạch tuyệt vời ở kích thước phân tử có số đo nhỏ hơn 10 nanomet -tức là mỏng hơn tới 10.000 lần chiều dày sợi tóc của con người và không bằng một nửa kích thước của công nghệ silicon hàng đầu hiện nay. Kết quả mô hình hóa toàn diện các mạch điện tử cho thấy có thể đạt được mức độ cải thiện từ 5 đến 10 lần về hiệu năng so với mạch silicon.

MÀNG CÁC-BON

Màng các-bon là các-bon tinh khiết ở dưới dạng một tờ giấy có độ dày bằng một nguyên tử các-bon. Đó là chất dẫn nhiệt, dẫn điện tuyệt vời, rất bền và linh hoạt. Các điện tử có thể di chuyển trong màng các-bon với tốc độ nhanh hơn khoảng 10 lần so với trong các loại vật liệu bán dẫn thường được sử dụng như là silicon và silicon géc-ma-ni. Các đặc tính của nó mang đến khả năng phát triển những transistor chuyển mạch nhanh hơn so với những gì có thể với các chất bán dẫn thông thường, đặc biệt là trong lĩnh vực truyền thông không dây cầm tay trong đó nó sẽ đảm nhiệm vai trò của một thiết bị chuyển mạch hiệu quả hơn so với những thiết bị chuyển mạch hiện đang được sử dụng.

Mới đây, vào năm 2013, IBM đã trình diễn mạch tích hợp front-end của máy thu dựa trên màng các- bon đầu tiên trên thế giới dành cho hoạt động truyền thông không dây. Mạch điện này bao gồm các bộ khuếch đại 2 trạng thái và một bộ biến tần xuống (down converter) hoạt động ở tần số 4,3 GHz.

TRANSISTOR CÔNG SUẤT THẤP THẾ HỆ MỚI

Ngoài những vật liệu mới như là CNT, cũng cần phải có các kiến trúc và thiết bị sáng tạo để nâng cao hiệu năng hệ thống. Mức độ tiêu thụ nguồn cũng là một thách thức cơ bản của các mạch điện tử na-nô. Một giải pháp thay thế tiềm ẩn cho những con chip silicon tiêu tốn rất nhiều điện năng hiện nay là những thiết bị được gọi là đường bao dốc (steep slope devices). Chúng có thể hoạt động ở mức điện áp thấp hơn nhiều và do đó bức xạ ít nhiệt hơn đáng kể.

Để hạ thấp mức độ phát tán năng lượng trong mạch điện tử, các nhà khoa học của IBM đang nghiên cứu các transistor hiệu ứng trường đường hầm (tunnel field effect transistors - TFET). Trong loại transistor đặc biệt này, hiệu ứng cơ-lượng tử của đường hầm giữa các băng sóng được sử dụng để định hướng dòng điện đi qua các transistor. TFET có thể đạt được mức độ cắt giảm công suất tới 100 lần so với các transistor CMOS liên quan. Do đó, việc tích hợp TFET với công nghệ CMOS có thể cải tiến đáng kể các mạch tích hợp nguồn thấp.

Các dây nối na-nô bán dẫn III-V là những cấu trúc na-nô hình trụ có kích thước đường kính chỉ bằng vài phần triệu của một xăng-ti-mét và là những vật liệu lý tưởng để phát triển TFET. Chỉ mới đây thôi, IBM đã phát triển một phương pháp đặc biệt để tích hợp các dây nối na-nô III-V và các cấu trúc hỗn tạp một cách trực tiếp trên các màng na-nô Si tiêu chuẩn đồng thời xây dựng đi-ốt và TFET đường hầm InAs/Si đầu tiên thông qua sử dụng InAs làm cực cổng và Si làm cực máng với cổng bo tròn xung quanh dưới dạng các thiết bị đường bao dốc dành cho các ứng dụng có mức độ tiêu thụ nguồn thấp.

IBM đã có những đóng góp lớn cho những sáng tạo về silicon và chất bán dẫn, trong cả phát minh và triển khai thực tế các công nghệ: DRAM một cell, "Định luật mở rộng Dennard" hỗ trợ cho "Định luật Moore", quang điện trở khuếch đại bằng hóa học, dây kết nối bằng chất liệu đồng, Silicon trên chất cách điện, kỹ thuật sức căng, bộ vi xử lý đa lõi, kỹ thuật in thạch bản nhúng, silicon géc-ma-ni (SiGe) tốc độ cao, điện môi cực cổng High-k, DRAM nhúng, ghép chồng chip 3D và cách điện bằng khe hở không khí.

Hãng này đang tiếp tục tài trợ và cộng tác với các nhà nghiên cứu tại các trường đại học để khám phá và phát triển các công nghệ tương lai cho ngành công nghiệp bán dẫn, đặc biệt là hoạt động nghiên cứu của các trường đại học thông qua các mối quan hệ công tư như: Sáng kiến Nghiên cứu điện tử na-nô (NanoElectornics Research Initiative - NRI) và Mạng lưới Nghiên cứu Bán dẫn Tiên tiến (Semiconductor Advanced Research Network - STARnet) cũng như là Liên minh Nghiên cứu Toàn cầu (Global Research Consortium - GRC) của các Hãng nghiên cứu về bán dẫn.

Không chỉ IBM, một loạt những tập đoàn điện tử và CNTT hàng đầu trên thế giới cũng đang "chạy đua" nghiên cứu vật liệu và công nghệ mới trong bán dẫn. Tương lai không xa, những thế hệ vi xử lý mới có khả năng tính toán của siêu máy tính nhưng tiêu thụ ít năng lượng sẽ trở nên phổ biến.

Minh Thiện
(Tổng hợp từ:http://www-03.ibm.com, http:// www.pnas.org, và http://phys.org/news)