Trong 4 thập kỉ qua, các vi mạch (chip) đă có mặt gần như trong tất cả các thiết bị điện tử, đồng thời nó trở nên ngày một nhỏ bé hơn, rẻ hơn, và mạnh mẽ hơn. Tuy nhiên, với một nhóm các nhà nghiên cứu châu Âu thì vẫn còn rất nhiều khả năng có thể khiến cho những vi mạch này tiếip tục nhỏ hơn nữa.

Trước kia, thế hệ của những vi mạch điện tử CMOS đầu tiên được biết đến là các transitors với các kích thước cỡ 10 µm hoặc lớn hơn.

Còn ngày nay, những vi mạch trong hầu các sản phẩm có kích thước nhỏ hơn thế cả trăm lần. Nó chỉ khoảng 65 nm hay 90 nm, một kích thước tương ứng cỡ một phần nghìn độ dày của một sợi tóc! Quả là nó rất nhỏ bé. Thế nhưng, trong ngành công nghiệp bán dẫn đầy tính cạnh tranh, mà cái gì nhỏ hơn có nghĩa là mạnh mẽ hơn, thì kích thước 65 nm kia vẫn chưa đủ nhỏ.

Giảm thiểu kích thước đồng nghĩa với việc sẽ có nhiều transitor hơn nữa trên một vi mạch, cũng có nghĩa là sẽ có nhiều khả năng tính toán hơn, mạnh mẽ hơn và điều đó sẽ làm cho các hệ thống thiết bị điện tử như điện thoại di động, máy tính, vệ tinh nhân tạo ... sẽ trở nên đa năng hơn, hiệu quả hơn. Và, cũng bởi vì công nghệ xếp lớp silicon để làm ra những con chip hiện nay là hết sức tốn kém (để xây dựng được một nhà máy sản xuất theo công nghệ này cần phải tốn khoảng 3 tỉ EUR tức 70 nghìn tỉ VND) nên sử dụng nó thật ít để làm ra nhiều hơn cũng có nghĩa là các thiết bị điện tử sẽ tiếp tục trở nên rẻ hơn.

"Ngành công nghiệp bán dẫn là một ngành liên quan đến việc mua bán trên mỗi milimet vuông của vật liệu silicon. Vì vậy, nếu có thể chất thêm được các transitor lên một vi mạch cũng có nghĩa là bạn sẽ có nhiều dung lượng hơn, nhiều chức năng hơn, và nhiều khả năng tính toán hơn với cùng một mức giá. Đó là lí do tại sao mà những thứ như điện thoại di động, ti vi LCD, đầu đọc DVD ngày một rẻ đi" Giles Thomas, giám đốc Chương trình Hợp tác Nghiên cứu và Phát triển của STMicroelectronis, một công ti sản xuất lớn thứ 5 trên thế giới và cũng là nhà cung cấp đứng đầu châu Âu trong ngành công nghiệp bán dẫn đặt tại Crolle, Pháp cho biết như vậy.

Lấy đi chữ "O" trong cụm từ CMOS

Trong ba năm rưỡi vừa qua, STMicroelectronics đã kết hợp với hai dự án lớn có nguồn kinh phí cấp từ EU nhằm đẩy lui giới hạn làm nhỏ hơn nữa kích thước của các vi mạch trong ngành công nghiệp bán dẫn. Đó là dự án NanoCMOS đã kết thúc tháng 6/2006 với việc phát triển công nghệ tạo ra thế hệ vi mạch 45 nm và dự án Pullnano (được điều hành bởi Thomas và là sự kế tiếp của dự án NanoCMOS) với dự định phát triển công nghệ tạo ra thế hệ vi mạch 32 nm và thậm chí là 22 nm. Với kích thước này, công nghiệp sản xuất bán dẫn đang tiếp tục kiểm tra định luật Moore: Số lượng transitor có thể tích hợp trên các vi mạch sẽ tăng gấp đôi sau mỗi năm.

Thomas đã giải thích "Định hướng của NanoCMOS và Pullnano là theo hướng như vậy, mặc dù chúng tôi có thể mất đến 12 hay 15 năm nữa trước khi tìm ra một kích thước nhỏ nhất có thể đạt được trên giới hạn thực tế mà vẫn còn có tính kinh tế"

Ở kích thước 32 nm, các hiệu ứng cơ lượng tử sẽ trở nên mạnh mẽ. Một vấn đề rất lớn mà các nhà nghiên cứu trong dự án Pullnano đã giải quyết được là làm giảm dòng điện dò (current leakage) tại các cổng logic bằng cách sử dụng một phần tử cách li làm từ hỗn hợp hafnium với độ cách điện cao hơn hẳn so với silicon dioxide.

"Chúng tôi đã có thể đạt được khả năng làm giảm dòng dò lên đến 100 lần" Thomas nói " Lưu ý rằng đây là lần đầu tiên vật liệu oxide - chữ "O" cụm từ CMOS - đã được thay thế bởi một vật liệu khác".

"Câu hỏi triệu đô" của các nhà sản xuất bán dẫn

Khi các vi mạch tiếp tục nhỏ đi, một điều không thể tránh khỏi là nó sẽ đạt đến một giới hạn mà ở đó kích thước các phần tử không thể nhỏ được hơn nữa để mà có thể dành chỗ cho việc tích hợp nhiều transitor. Thomas đã mô tả điều này như thể một "câu hỏi triệu đô" của ngành công nghiệp bán dẫn. Tuy nhiên, Thomas đưa ra câu trả lời áng chừng là nó có thể sẽ nằm trong khoảng 16 nm hay 11 nm.

Nếu cứ cho điều đó là đúng thì trước điểm tới hạn ấy, vẫn còn có những điểm đạt được (nhỏ hơn 45 nm và lớn hơn điểm tới hạn). Hiện STMicroelectronics đang tiến hành sản xuất các mẫu 45 nm mà dự án NanoCMOS phát triển trước đó với một dự định thay thế cho tất cả các hệ thống thiết bị điện tử trong tay người tiêu dùng trước năm 2009.

Trước 2011, công ti hi vọng rằng sẽ bắt đầu thương mại hóa các vi mạch 32 nm mà hiện đang được phát triển bởi dự án Pullnano và trong vòng hai năm sau đó sẽ là công nghệ vi mạch 22 nm.

"Công nghệ 45 nm đã được minh chứng trong các sản phẩm SRAM và chúng ta đang dùng nó để làm chuẩn so sánh cho tính hiệu quả của mỗi công nghệ thế hệ sau. Với công nghệ 32 nm, chúng ta cũng sẽ làm như vậy"

"NanoCMOS với 20 đơn vị thành viên và Pullnano với 38 đơn vị thành viên đã giúp cho châu Âu tiến một bước dài trong ngành công nghiệp bán dẫn", Thomas cho biêt như vậy mặc dù ông cũng chỉ ra rằng mảng công nghiệp này hiện vẫn đang bị các hãng điện tử khổng lồ như Intel của Mĩ và Samsung của châu Á lấn lướt. Tuy nhiên, tương lai vẫn rộng mở ngay cả khi các vi mạch trở nên rẻ hơn.

Và cuối cùng, vẫn luôn là người tiêu dùng sẽ được hưởng lợi nhiều nhất từ những nỗ lực giảm kích thước này. Trong 25 năm qua, giá thành đã giảm đi 25 000 lần tương ứng với số lượng transitor tích hợp trên một đơn vị đã tăng lên 30 000 lần.

"Hãy nhìn vào ví dụ của bộ nhớ máy tính, trong những năm đầu thập niên 70, một Megabyte bộ nhớ có giá thành bằng cả ngôi nhà, giờ đây nó chỉ còn đáng giá bằng một cây kẹo mà thôi" Thomas nhấn mạnh như vậy.

Quang Minh (theo ScienceDailly)