Tiến trình 2 nanomet sẽ định hình lại ngành công nghiệp bán dẫn

Chất bán dẫn đóng vai trò quan trọng trong mọi thiết bị điện, từ thiết bị gia dụng đến thiết bị liên lạc, hệ thống giao thông và cơ sở hạ tầng quan trọng... Nhu cầu tăng hiệu suất và tiết kiệm năng lượng trong mỗi CPU chưa bao giờ hạ nhiệt, đặc biệt là trong kỷ nguyên của điện toán đám mây lai, Trí tuệ nhân tạo và Internet vạn vật. 

Thiết kế chip 2nm mới của IBM sẽ giúp nâng cao hơn nữa những cải cách tiên tiến trong ngành công nghiệp bán dẫn, giải quyết nhu cầu ngày càng tăng của ngành công nghiệp này. Đây không chỉ đơn giản là bước phát triển của xu hướng “thu nhỏ” các thành phần trong vi mạch bán dẫn. Bước tiến mới trong công nghệ vi xử lý được kỳ vọng sẽ tạo ra tiến bộ nhảy vọt trong hiệu suất tính toán và tiết kiệm năng lượng. Đằng sau đó là những giải pháp công nghệ đột phá có tác động định hình lại ngành công nghiệp bán dẫn. 

Để hiểu rõ hơn những nội dung nghiên cứu đột phá này, phóng viên của Tạp chí Thông tin và Truyền thông đã trao đổi với TS. Mukesh Khare - Phó Chủ tịch nhóm Nghiên cứu của IBM (IBM Research) – người đang chịu trách nhiệm điều hành chương trình nghiên cứu phần cứng máy tính của IBM. 

Tiến sĩ Mukesh và nhóm hơn 1.000 nhà nghiên cứu trên toàn thế giới đang xác định lại tương lai của điện toán cho các khối lượng công việc thế hệ tiếp theo như trí tuệ nhân tạo (AI), học máy (Machine Learning), tính toán hiệu suất cao (High-Performance Computing) và phân phối của chúng thông qua điện toán đám mây lai. 

Trong suốt sự nghiệp của mình, TS. Khare đã giúp xây dựng và thúc đẩy các liên minh nghiên cứu hợp tác góp phần hiện đại hóa ngành công nghiệp bán dẫn. Ông còn là Chủ tịch Hội đồng Quản trị của Tổng Công ty Nghiên cứu Chất bán dẫn (SRC) và trong ban cố vấn của một số đơn vị nghiên cứu. TS. Khare đã chỉ đạo nghiên cứu, phát triển và triển khai một số công nghệ tiên tiến như High-k metal gate và FinFET có giá trị đáng kể đối với IBM và các đối tác liên minh nghiên cứu. 

Dưới đây là nội dung trao đổi của PV Tạp chí TT&TT với TS. Mukesh Khare. 

Được biết, IBM đã xây dựng chip tiến trình 5nm vào năm 2017. Công nghệ sản xuất chip tiến trình 2nm mới này có những cải tiến gì so với trước, thưa ông? 

TS. Mukesh: Một trong những cải tiến quan trọng giữa 2nm và 5nm là kỹ thuật in thạch bản. In thạch bản cực tím (EUV) về cơ bản là in thiết kế trên tấm wafer. Và EUV là công nghệ in thạch bản tiên tiến nhất trên thế giới nhưng nó mới chỉ được áp dụng cho một số lớp nhất định hoặc trong phần phụ trợ trong công nghệ chip bán dẫn 5nm. Những gì chúng tôi đã làm trong 2nm là triển khai EUV cho toàn bộ tất cả các luồng bán dẫn trong 2nm. Những vạch khắc tạo ra các đường đi sẽ tạo thành mạch điện tử. 

 IBM cũng thay thế kiến trúc FinFET bằng GAA. Với “4 cổng” cho phép các tín hiệu đi qua các bóng bán dẫn vượt trội hơn. Điều đó thực sự sẽ đơn giản hóa sự phức tạp của công nghệ in thạch bản. Nhiều đổi mới hơn trong vật liệu và quy trình cũng sẽ làm giảm số lượng các bước in thạch bản cho các công nghệ chip bán dẫn trong tương lai. 

Ngoài ra, còn có các công nghệ như tinh chế miếng đệm, đây là một công nghệ khác mà chúng tôi đã giới thiệu cho cấu trúc chip bán dẫn 2nm. IBM cũng đảm bảo rằng công nghệ này cũng có thể được sử dụng từ thiết bị di động cầm tay công suất thấp đến siêu máy tính hiệu suất rất cao bằng cách điều chỉnh cổng một cách tương ứng. 

Những cải tiến này sẽ giúp chúng tôi thực hiện các bước đột phá đổi mới chip trong tương lai, kể cả với những kích thước đo lường mới.

Xin ông cho biết liệu có thể có một chip bán dẫn nhỏ hơn không? Công nghệ chip 2nm mới nhất có phải là đoạn kết của định luật Moore? Công nghệ thế hệ chip tiếp theo của IBM có thể là gì? 

TS Mukesh: Chắc chắn rồi. Chúng tôi sẽ không dừng lại. Chúng tôi sẽ tiếp tục khám phá các lựa chọn để tiếp tục mở rộng đến 1nm và hơn thế nữa. Có rất nhiều đổi mới và năng lượng đang được đưa vào các dự án nghiên cứu và phát triển (R&D) bán dẫn của IBM. Công nghệ là không dừng lại. Chúng tôi đang khám phá vô số ý tưởng để có thể tiếp tục đạt được tiến bộ trong công nghệ chip trong tương lai gần. 

Còn công nghệ kế tiếp sau nanomet là gì? Có thể phải sử dụng đơn vị đo lường khác. Chúng ta đã từng làm việc trên micron, micromet và sau đó chuyển sang nanomet và bây giờ chúng ta sắp hết nanomet. Chúng tôi đang suy nghĩ về những đơn vị khác nhau để đại diện cho tương lai của chất bán dẫn. 

IBM đã tối ưu hóa được dây truyền sản xuất hàng loạt (số lượng lớn) cho dòng chip mới này chưa, thưa Tiến sĩ? 

TS. Mukesh: Ngành công nghiệp bán dẫn hiện đang phải đối mặt với những thách thức trong cả chuỗi cung ứng - bao gồm cả tình trạng thiếu chip hiện nay - và những hạn chế của Định luật Moore. Các chip 2nm vẫn còn vài thế hệ nữa mới được sản xuất. Tuy nhiên, công nghệ 2nm rất quan trọng vì nó mang lại cho chúng ta sự lựa chọn. Chúng tôi tin rằng các chip không tương thích với sự phát triển của các ứng dụng có thể được thay thế hoặc nâng cấp khi cần thiết. Ví dụ những công nghệ chip mới sẽ được phát triển cho các phần cứng chạy card màn hình và ứng dụng AI. Hiện tại, IBM công bố về công nghệ chip mới nhất, còn chúng tôi không thể bình luận về thời điểm sản xuất hàng loạt.

Tiến sĩ có dự báo gì về chi phí sản xuất chip 2nm? Liệu IBM có mở rộng bằng sáng chế công nghệ chip 2nm cho các công ty bán dẫn khác hay chỉ đáp ứng nhu cầu về máy chủ của IBM? 

TS. Mukesh: Chi phí sản xuất sẽ phải được quyết định bởi các đối tác hệ sinh thái của chúng tôi trong ngành công nghiệp bán dẫn trong vài năm tới, khi các đối tác đã sẵn sàng cho việc sản xuất. IBM đóng vai trò nghiên cứu và đổi mới công nghệ chip bán dẫn. Các công ty trong chuỗi cung ứng chất bán dẫn đang cùng với IBM thực hiện bước đột phá này và nó sẽ mang lại lợi ích cho nhiều công ty trong chuỗi cung ứng. 

Để bạn có cảm giác về kích thước, 2nm nhỏ hơn chiều rộng của một sợi DNA. Sự đổi mới này cung cấp một lộ trình mở rộng quy mô công nghệ bán dẫn trong thập kỷ tới. Các chip với công nghệ 2nm sẽ làm tăng đáng kể chức năng của các thiết bị điện tử - từ truy cập Internet nhanh hơn, thời lượng pin dài hơn, đến thời gian xử lý các ứng dụng nhanh hơn - mà không làm tăng chi phí. 

Những đổi mới của IBM Research được đưa trực tiếp vào lộ trình sản phẩm thương mại của chúng tôi và bộ xử lý 7nm được thương mại hóa đầu tiên của IBM, dựa trên bước đột phá năm 2015 của IBM Research, sẽ ra mắt vào cuối năm nay trong IBM POWER10. Mặc dù chúng ta vẫn còn ba thế hệ cho tới khi thương mại hóa những con chip 2nm, nhưng từ bước đột phá này, chúng tôi tin rằng thế giới chip sẽ dễ dàng tích hợp và điều hòa hơn. Trong tương lai, chúng tôi có thể sẽ tiếp tục sửa đổi, nâng cấp và tối ưu hóa chip, điều này sẽ hỗ trợ việc nâng cấp lên các chu kỳ thiết kế mới. 

Không thể không nhắc tới di sản đồ sộ những đột phá về chất bán dẫn của IBM như công nghệ bán dẫn 7nm và 5nm, DRAM tế bào đơn, Định luật tỷ lệ Dennard, máy quang khuếch đại hóa học, dây kết nối bằng đồng, công nghệ Silicon on Insulator, bộ vi xử lý đa lõi, điện môi cổng High-k, DRAM nhúng và công nghệ sắp xếp chip 3D. Sản phẩm được thương mại hóa đầu tiên của IBM dựa trên công nghệ bán dẫn 7nm của IBM Research sẽ ra mắt vào cuối năm nay trong hệ thống máy chủ IBM POWER10.

Ngoài ra, các chất bán dẫn tiên tiến có thể cho phép các bộ xử lý không đồng nhất trong tương lai kết hợp nhiều công nghệ, như các phần cứng CPU, GPU hoặc AI nâng cao, thành một gói duy nhất có tiềm năng biến đổi cách cấu tạo máy chủ, cho phép các hệ thống được xây dựng theo mục đích mô-đun có thể đáp ứng một loạt các mục tiêu sử dụng.

Thưa Tiến sĩ, để phục vụ cho việc phát triển chip 2nm, IBM đang hợp tác với những công ty nào trong lĩnh vực bán dẫn? 

Tiến sĩ Mukesh: IBM có nhiều đối tác trong hệ sinh thái, từ những nhà sản xuất chip như Samsung và Intel. Ngoài ra, chúng tôi hợp tác với tất cả các nhà sản xuất thiết bị như Tokyo Electron, Applied Materials, Lam Research, KLA, là một số ví dụ. Tất cả các công ty trong chuỗi cung ứng chất bán dẫn đều hợp tác với IBM. Điều này về cơ bản sẽ mang lại lợi ích cho nhiều công ty trong chuỗi cung ứng. 

Theo Tiến sĩ, công nghệ sản xuất chip 2nm liệu có thể giải quyết tình trạng thiếu hụt gần đây trong ngành công nghiệp sản xuất chất bán dẫn? 

Tiến sĩ Mukesh: Chúng ta đều nhận thấy sự thiếu hụt đang diễn ra trên toàn thế giới, và đại dịch không chỉ là lí do duy nhất. Công nghệ chip 2nm mới này sẽ mất thời gian để chuyển đổi thành sản phẩm. Ngành công nghiệp bán dẫn thường sẽ mất nhiều năm để đổi mới công nghệ và chuyển đổi nó thành sản xuất hàng loạt. Việc ra mắt chip 2nm cung cấp niềm tin cho các công ty đang đầu tư vào chất bán dẫn, rằng ngành công nghiệp này sẽ phát triển mạnh trong nhiều thập kỷ kế tiếp. 

Công bố mới của IBM củng cố niềm tin về nhu cầu của thị trường tiêu thụ và sẽ khuyến khích các nhà sản xuất đầu tư nhiều hơn. Bước đột phá này cung cấp một lộ trình rõ ràng, rằng các công ty sẽ có quyền truy cập vào kiến thức công nghệ của IBM cũng như thiết kế chip hoàn toàn mới này, đồng thời họ có thể tiếp tục đầu tư và xây dựng năng lực để số hóa quá trình sản xuất và thương mại hoá. 

Mặc dù công nghệ này vẫn còn vài năm nữa mới được sản xuất đại trà, nhưng nó sẽ giúp giảm thiểu đáng kể tình trạng thiếu chip trong tương lai, góp phần củng cố niềm tin cho các khu vực công và tư nhân để tiếp tục đầu tư vào công nghệ bán dẫn. Vì vậy, chúng ta có thể giảm khả năng xảy ra tình trạng thiếu chip một lần nữa. 

Tiến sĩ cho biết hiệu suất hoạt động và tính năng của chip 2nm có gì nổi bật so với các chip hiện có trên thị trường ở thời điểm hiện tại (về tốc độ, đa nhiệm, tiết kiệm năng lượng, v.v...)? 

TS. Mukesh: Kiến trúc của bóng bán dẫn 2 nanomet mới của IBM có thể lắp được 50 tỷ bóng bán dẫn trên một con chip có kích thước bằng móng tay. Về tính năng, nó có thể làm tăng số lượng bóng bán dẫn trên một con chip có thể làm cho chúng nhỏ hơn, nhanh hơn, đáng tin cậy hơn và hiệu quả hơn. Các chip được chế tạo bằng công nghệ quy trình 2nm được dự đoán là tăng 45% hiệu suất và sử dụng ít năng lượng hơn 75% so với chip 7nm ngày nay.

Điều này có nghĩa là việc thay thế các chip hiện tại bằng các bóng bán dẫn tiến trình 2nm có thể giúp cho: 

Thời lượng pin điện thoại di động tăng gấp 4 lần: Bộ xử lý 2nm được sử dụng trong điện thoại di động có thể tăng gấp 4 lần tuổi thọ pin của điện thoại di động sử dụng công nghệ quy trình 7nm, chẳng hạn như iPhone 11, Samsung Galaxy S10 và Google Pixel 5. Dựa trên mức sử dụng trung bình, điều này có nghĩa là điện thoại sẽ chỉ cần được sạc bốn ngày một lần. 

Cắt giảm lượng khí thải carbon của các trung tâm dữ liệu: Ngành công nghệ chiếm hơn hai phần trăm lượng khí thải toàn cầu, ngang bằng với lượng khí thải từ nhiên liệu của ngành hàng không. Một số mô hình ước tính việc sử dụng điện của ngành công nghệ có thể vượt quá 20% tổng lượng điện trên toàn cầu vào thời điểm một đứa trẻ sinh ra ngày nay đến tuổi vị thành niên, trong đó chỉ riêng các trung tâm dữ liệu đã chiếm một phần ba tổng số này. 

Hiệu suất năng lượng cao hơn của chất bán dẫn tiên tiến có thể cho phép các nhà cung cấp đám mây hoặc các nhà khai thác trung tâm dữ liệu quy mô lớn giảm mức tiêu thụ năng lượng và lượng khí thải carbon của họ bằng cách sử dụng ít máy chủ hơn để hoàn thành cùng một lượng công việc. Nếu mọi trung tâm dữ liệu trên thế giới chuyển sang bóng bán dẫn 2nm trong khi vẫn duy trì công suất như nhau, thì việc tiết kiệm năng lượng có thể cung cấp năng lượng cho 43 triệu ngôi nhà trong một năm. 

Việc giới thiệu công nghệ chip hoàn toàn mới này có ảnh hưởng như thế nào đến thị trường ASEAN không, thưa ông? 

TS. Mukesh: Công nghệ chip sẽ mang lại nhiều lợi ích cho nhiều công ty trong khu vực. Tiến trình 2nm hứa hẹn sẽ mang lại lợi ích cho ngành công nghiệp bán dẫn trên tất cả các thị trường, bao gồm cả ASEAN, một trong những thị trường tiêu thụ bán dẫn lớn nhất trên thế giới. 

Về đột phá công nghệ và giá trị mang lại, công nghệ chip 2nm được kỳ vọng sẽ cải thiện 45% hiệu suất hoặc giảm 75% điện năng so với 7nm - điều đó có nghĩa là chúng ta có thể tiết kiệm rất nhiều năng lượng cho trung tâm dữ liệu, hoặc người tiêu dùng chỉ cần sạc điện thoại di động 4 ngày một lần (nếu sử dụng chế độ di động năng lượng thấp); hoặc chúng ta có thể đòi hỏi nhiều chức năng hơn cho khối lượng công việc AI và học máy trên điện thoại của mình thay vì chạy trên đám mây. Có nhiều cơ hội lớn khác nữa để tiếp tục số hóa. Bên cạnh đó, các chất bán dẫn ngày càng được phát triển bền vững và thân thiện với môi trường. 

Sự đổi mới này sẽ mang lại lợi ích cho ngành công nghiệp bán dẫn toàn cầu, bao gồm:

- Cắt giảm lượng khí thải carbon của các trung tâm dữ liệu, nơi có tác động môi trường ngày càng tăng.

- Tăng đáng kể hiệu năng của thiết bị điện thoại di động. 

- Tuổi thọ pin điện thoại di động tăng gấp bốn lần. 

Xin chân thành cảm ơn những chia sẻ của Tiến sĩ!

(Bài viết đăng ấn phẩm in Tạp chí TT&TT số 6 tháng 6/2021)