45 năm định luật Moore Định luật Moore 45 tuổi Năm nay,định luật Mooresẽ bước sang tuổi 45 và đối mặttrướcmột cuộc khủng hoảng thuộc loại nửa đời người. Năm 1965, Gordon Moore (saunày là đồng sáng lập hãng Intel),nhận xétthấy số transistor có thể lắp khít vào mộtmạch tích hợp đại kháilà tăng lên gấp đôi qua hàngnăm.Tiên đoán đơn giản của ông,mà sau này ông đã điều chỉnh là tănglên gấp đôitrong mỗi hainăm, đã trở thành một chuẩn công nghiệp, và theo một nghĩa nàođó,nó là một lời tiêntri đã hiệu nghiệm. Bất chấp nhữnglời đồn đại không ngớt về cái chết không thể tránhkhỏicủa định luật Moore(kể cả của chính bản thân Moore),các nhà nghiên cứu vẫn làmdậy sóng nhữngchiếc máy tính nhanhhơn,mạnh hơn theo lịch định. Liệu côngnghệ có thể tiếp tục hành trình tăng theo số mũ của nó baolâunữa theo hướngnhỏ hơn, nhanhhơn, rẻ hơn? Sau đây làmột số hi vọng sánggiánhất củachúng ta nhằm tiếp tục giữ vững địnhluật Moore. Mạchtích hợp đầu tiên,ảnh trên, đượcJack Kilby phátminh ra vào năm 1958; nó có kích cỡ 1,6và 11,1 milimét, và có mộttransistorduy nhất. Hãy so với những bộ vi xử lí trong chiếc laptopcủa bạn, chúng chứahàngtrăm triệu transistor, mỗi transistor bề ngang chỉ 45 nano mét. Ảnh: TexasInstruments Xây dựng nhiều tầng Giải phápdễ thấy nhất cho việc đóng gói nhiều sức mạnhđiện toánlà thu nhỏ chip máy tính.Cáctransistorthươngmại ngày nay nhỏ cỡ 32 nm,nhưng kích cỡ đó đã nằm gần giớihạn của công nghệ chế tạo hiện nay. Như mọi người dân thành thị đều biết,cách tạo ramật độ lớn trongkhông gian hạn chế là xây nhà cao tầng. Cácnhà nghiên cứu đã đi đến mộtmẫuthiết kế kiểu giàn giáocho chipmáy tính, về cơ bản là xây dựngmột lớpdây nano lên trên một lớp dây nanokhác theohướngvuônggóc. Hệ thống giao nhaugiữa những bộ dây đó đượcgọi là memristor,một nguyên tố mạch tích hợp mới có thể lưu trữ thông tin ngaycả sau khi dòngđiện đã tắt. Các nhà nghiên cứu tạihãng HPđã chế tạo ra những nguyên mẫu memristor, hình trên, cuối cùng có thể cho phép các máy tính bắt chước bộ não người ở khả năng hồi phụcthông tin và phát triểnthêm khi sử dụng. Ảnh: R. StanleyWilliams,HewlettPackard Laboratories Vẫn nguội với những ống dẫn nhỏ xíu Khi các kĩ sư tìm cách nhồi nhét nhiều sứcmạnhchip vàonhững không gian nhỏ hơn, họ cũng phải xử lí vấn đề nhiệt vượt mức. Các quạt làm mát gắn trong và các bể nhiệt (kiểu như case nhôm dẫn nhiệt củaMacbookAir) giảiphóng mộtphần nhiệt. Bước tiếp theo cóthể là nhữnghệ thống dẫn nhỏ xíu cho phép nướcchảy qua và lấy nhiệt ra ngoài. IBM đã thiết kế ra một hệ ống dẫn hàn kín, hai lớp như vậy bằngsilicon và silicon oxide, đường kínhchỉ 0,002 inch, như minh họa ở đây, cái họ hi vọng sẽ có mặttrên thị trường trong vài năm tới.IBM cho biết ngaycả sự ngắn mạchcũng sẽ chẳng làvấn đề gì hệ trọng. Ảnh: IBM Hafnium: Một chất cách điện tốt hơn Dòngđiện chạy qua một transistorđược điều chỉnh bằngnhững công tắc nhỏ xíu, gọi là các cổng,chúng phải được cách điện. Khi các chiptrở nên nhỏ hơn, thì chấtcách điện, thường dùnglà silicon dioxdide, trở nên càngmỏng hơn.Giảm đi chỉ còn dày vàiba nguyên tử, silicon dioxdie sẽ bị rò điện, mang đến mộtrào cản cho sự phát triển côngnghệ đi xa hơn. Một hướng đổi mới chính yếu làphát triển những chất cách điệntốt hơncấu tạo từ hợp kimcủa nguyên tố hafnium,làm giảm tổn haodo nhiệt và bảo toàn công suất. Các chất cách điện gốc hafniumhiện đã được sử dụng trongthế hệ chip 45 nm do hãng Intelsản xuất. Ảnhtrên là mặt dưới một con chip năm 1993. Ảnh: Intel Đẩy lùi các giới hạn của thuật in li-tô Các vân rối rắm trên các chip máy tính ngày nay đượcchế tạo bằng một kĩ thuật gọi là inli-tô. Trước tiên, một màng mỏngchất liệu nhạy quang, hoặc cản quang,được đặt lên trênmột bánh xốp silicon.Chiếu vào một mẩu ánh sáng cường độ mạnh làmcho chất cản quangbị tôi thành một mặt nạ bảo vệ. Sau đó, bánh xốp được nhúng trongnhữngbể hóa chất, chúng khắc lên nhữngchỗ không được bảo vệ. Quá trình này có thể lặp lạinhiềulần để khắc nhữngkhuôn mẫu phứctạpvà những mạch điện nhỏ xíu lên trên bánhxốp silicon. Giới hạn của kĩ thuật inli-tô đượclập rabởi bước sóngcủa ánh sáng. Bằng cách sử dụng ánh sángtử ngoại và nhữngsiêuthấu kính cókhả năng tạo ảnh dưới bướcsóng, cácnhà khoahọc cho biếthọ có thể đầy lùi ranhgiới in li-tô xuống dưới khoảng 20nm.Để vượt quá độ phân giải đó, cácnhà nghiên cứuđang khảo sát các thấu kínhplasmon, như minh họa ở đây, sử dụng các electron kíchthích để tập trung ánh sáng vào những bướcsóng ngắn hơn nữa – về mặt lí thuyết, kĩ thuật này có thể dùng để khắc những chi tiết mạchnhỏ cỡ 5đến 10nm. Ảnh: LiangPanvà ChengSun, UCBerkeley Các chất bán dẫn graphene Mặcdù tronghàngthập kỉ quasiliconđã là chấtliệu chuẩn cho cáctransistor, nhưng vẫn có nhiều quảng cáo về khả năng thay thế nó với những chất liệu nano mới, thídụ như những tấm carbon dẻo, dày một nguyên tử, gọi là graphene.Tuy nhiên,để cho graphene cóđược nhữngtínhchất bándẫn cần thiết,người ta phải cắt nó thành nhữngdải rộng chưa tới 10 nm. Các nhà khoa học vật liệu đangchế tạo các dảigraphene bằng cách “mổ” ống nano carbon.Một nhóm đã dán các sống nano lên trên mộtmàng mỏng polymervà sử dụng khí argonion hóađể cắt mở từng ống, mang lạinhững dải rộng cỡ 6 nm. Một nhóm khácđặt ốngnano trước acid sulfuric và kalipermanganate, mộttác nhânoxy hóa mạnh, làmkéo căng các liên kết carbonvàlàm cho các ống bung ra theo chiều dọc,như minhhọa ở trên. Một số nhà nghiên cứuđang khảo sát những phương pháp triểnvọngkhác biến graphene thành một chất bán dẫnhiệu quả, ví dụ như sử dụng graphene hai lớp cùngvớimột polymercách điện đặc biệt hoặc là khoét nhữnglỗ trống trong graphene để tạo ra một“mắt lướinano”bán dẫn,nhưngvẫn khôngrõ là những kĩ thuật này có mang lại những con chip khả thi hay không. Ảnh: DmitryV.Kosynkin,Đại họcRice Chip tự lắp ráp từ ADN Khi các nguyêntử mạch giảm kích cỡ, thìcông việc lắp ráp chúngthànhcấu trúcthích hợp cũng đòi hỏi những thủ thuật mới. Các nhà khoahọc đang được truyền cảm hứngtừ một trongnhững thiết kế vĩ đại nhất của mẹ thiên nhiên: ADN. Các nhà nghiên cứu tạiIBM đã tìm ra một phươngpháp làm cho nhữngchuỗi ADN virus tự lắp ráp thành nhữnggiàn giáotrên đó hàng triệu ống nanocarbon có thể đặt lên, mang lại mộtsự lựa chọnkhácrẻ hơn,hiệu quả hơn cho các chip silicon ngày nay. Trongmột kĩ thuật gọilà xếp giấy ADN, các chuỗi ADN được thiết kế tùy chọn saocho các chuỗi gấp nếp thành những hình dạng haihoặc bachiều không được xác địnhtrước. Cácnhà nghiên cứu dự đoán rằngcác chip lắp ráp theokiểu này cóthể nhỏ cỡ 6nm,mặcdù phải chờ thêmmột thập kỉ nữa thì các kết quả trên mớitrở thành sản phẩmthươngmại được. Ảnh: IBM Điện toán ở tốc độ ánh sáng Một hướng đi khác không theo đuổi sự thu nhỏ chip của định luật Moorelà điện toán quanghọc,nhắm tới việc tăngtốc truyền thôngtin lênđến tốc độ ánh sáng –bằng cách thay thế electronbởi photon. Chođếnnay, sự hiện thực hóa triển vọng nhất củacông nghệ quang họclà các tương kết quangsẽ thay thế cho những dây đồngtương đối chậm hiện được sử dụng để nối kết cácchipvi xử lí lại với nhau. Những“ống dữ liệu” quangnày được chế tạo từ indiumphosphate vàsilicon phátquang. Một con chipmáy tính hoạt độngdựa trênánh sángvẫn còn lâu mới đạt tới, nhưng có lí dođể cho người ta hi vọng. Mớiđây, các nhà khoahọcđã thiết kế ra transistor đầutiên cho các chùmlaser. Transistor trên, cấu tạo gồm một đơn phân tử chất nhuộm được đông lạnhtới -272 o C, có thể tác dụngnhư một côngtắc điều khiểncông suấtcủa một chùm laser truyền qua nó. Ảnh: RobertLettow Điện toán lượng tử: ‘Chén thánh’ của công nghệ? Nếu chúngta tiếp tục làm chủ định luậtMoorethêm vài thập kỉ nữa, thì thách thức tối hậu sẽ xuất hiệntại cấp độ mộtđơn nguyên tử, electron,hoặc có lẽ là photon.Tại đó,sự điện toán sẽ bị chi phối bởi cơ học lượngtử,một viễn cảnh đáng sợ nhưng cũng thật trêungươi. Hiệu quả hơn rất nhiều sovới điệntoán cổ điển, cái hoạt độngtrên cơ sở các cổnglôgicđảo lật giữahaitrạng thái, 1hoặc 0, điện toán lượng tử sẽ truy xuất đến những trạngthái lượng tử bội, hay qubit, đồng thời. Điều nàysẽ cho phép các máy tínhlượng tử làm nhiều phép tínhcùngmột lúc thayvì tuần tự. Những đặc điểm có thể dùng làm qubit baogồmnhững spinkhácnhau của các electron, sự định hướngtừ của cácion, hay photon docác ion phát ra. Các nhà nghiêncứu đã xây dựng được bộ vi xử lí lượng tử bán dẫn đầu tiên và dụngcụ, hình trên, sử dụng laser để thao tác với những qubit của các ion beryllium siêu lạnh. . 45 năm định luật Moore Định luật Moore 45 tuổi Năm nay ,định luật Mooresẽ bước sang tuổi 45 và đối mặttrướcmột cuộc khủng hoảng thuộc loại nửa đời người. Năm 1965, Gordon Moore (saunày. cái chết không thể tránhkhỏicủa định luật Moore( kể cả của chính bản thân Moore) ,các nhà nghiên cứu vẫn làmdậy sóng nhữngchiếc máy tính nhanhhơn,mạnh hơn theo lịch định. Liệu côngnghệ có thể tiếp. số hi vọng sánggiánhất củachúng ta nhằm tiếp tục giữ vững địnhluật Moore. Mạchtích hợp đầu tiên,ảnh trên, đượcJack Kilby phátminh ra vào năm 1958; nó có kích cỡ 1,6và 11,1 milimét, và có mộttransistorduy