VietNetwork.Vn

Trong nhiều thập kỷ, việc thu nhỏ các bóng bán dẫn đã thúc đẩy sức mạnh tính toán tăng lên một cách bùng nổ, nhưng những ngày đó sắp kết thúc. Câu hỏi là: chúng ta đi đâu bây giờ? Thiết kế 3D là một phần quan trọng của câu trả lời.

1. Làm thế nào máy tính tiếp tục nhanh hơn?


Tất cả các bộ xử lý máy tính đều được tạo thành từ các bóng bán dẫn—chúng là thứ cho phép máy tính thực hiện "các phép toán logic", nghĩa là so sánh và thao tác với các con số. Nếu bạn kết hợp đủ chúng, cuối cùng bạn sẽ có được vị trí như ngày nay: máy tính có thể ghi âm, chụp và xử lý ảnh, làm toán, kết xuất trò chơi điện tử và thậm chí nói chuyện với chúng ta.

Nói chung, bạn càng có nhiều bóng bán dẫn thì máy tính của bạn càng "thông minh hơn" và có nhiều khả năng hơn.

Khi bóng bán dẫn lần đầu tiên được phát minh (khoảng năm 1950), một bóng bán dẫn có chiều ngang khoảng 2 cm (gần 1 inch) và trông giống đạo cụ trong một bộ phim kinh dị khoa học viễn tưởng hơn là một phần công nghệ chức năng. Ngày nay, mọi chuyện đã khác. Các bóng bán dẫn hiện đại thường có chiều ngang nhỏ hơn 60 nanomet (một nanomet là một phần tỷ mét), đây là mức giảm kích thước gần tương đương với việc thu nhỏ mặt trăng xuống kích thước của một quả chanh. Các bóng bán dẫn đã co lại một cách đáng tin cậy kể từ khi chúng được phát minh lần đầu tiên, đến mức số lượng bóng bán dẫn mà chúng ta có thể nhét vào một khu vực nhất định sẽ tăng gấp đôi sau mỗi 18–24 tháng, một hiện tượng thường được gọi là Định luật Moore.

Giờ đây chúng ta có thể đóng gói hàng tỷ bóng bán dẫn vào một bộ vi xử lý có kích thước bằng một đồng xu và điều đó đã cho phép máy tính thay đổi từ những cỗ máy khổng lồ chiếm toàn bộ tòa nhà thành những thiết bị đủ nhỏ để bạn có thể mang theo trong túi. Nhưng có một vấn đề: bóng bán dẫn ngày càng nhỏ.

2. Tại sao bóng bán dẫn không thể ngày càng nhỏ hơn?

Khi bóng bán dẫn ngày càng nhỏ hơn, chúng ngày càng khó sản xuất một cách đáng tin cậy. Ngay cả những phương pháp tốt nhất hiện có cũng dẫn đến lãng phí, mặc dù điều đó không phải lúc nào cũng là điều khủng khiếp. Ví dụ: nếu bạn đang cố gắng sản xuất CPU 16 lõi và chỉ có một nửa số lõi hoạt động, bạn có thể vô hiệu hóa các lõi bị lỗi và bán nó dưới dạng CPU 8 lõi—không có hại gì.

Tuy nhiên, đôi khi các khiếm khuyết ảnh hưởng đến điều gì đó nghiêm trọng và toàn bộ mọi thứ phải bị loại bỏ. Khi các bóng bán dẫn ngày càng nhỏ hơn, vấn đề này càng trở nên nghiêm trọng hơn.

Ngoài những lo ngại về sản xuất, một hiệu ứng đặc biệt từ cơ học lượng tử—đường hầm lượng tử—trở nên phổ biến một cách có vấn đề khi bạn nói về các mạch có kích thước nano. Đường hầm lượng tử dẫn đến việc các electron đôi khi đi đến những nơi mà thông thường chúng không thể đến được và điều đó gây khó khăn cho việc tạo ra các bộ xử lý hoạt động đáng tin cậy.

Các con chip có thể rộng hơn để chứa nhiều bóng bán dẫn hơn, nhưng điều đó càng làm cho thách thức sản xuất trở nên trầm trọng hơn và khiến việc thiết kế các vi mạch trở nên phức tạp hơn.

Sự kết hợp giữa độ khó chế tạo ngày càng tăng và các giới hạn cơ bản của vật lý đã gần như đưa chúng ta đến điểm cuối của định luật Moore, nhưng với nhu cầu luôn hiện hữu về những chiếc máy tính tốt hơn, thông minh hơn và nhanh hơn, chúng ta sẽ đi đâu?

3. Các bóng bán dẫn 3D đang ra đời để cứu định luật Moore

Các bóng bán dẫn trên chip hơi giống một thành phố đảo gồm những tòa nhà một tầng. Bạn chỉ có thể làm cho các tòa nhà thật nhỏ trước khi chúng không thể sử dụng được và vì bạn đang ở trên một hòn đảo nên bạn không thể mở rộng ra mãi mãi. Cũng giống như các thành phố đảo, các bóng bán dẫn hiện đại đang được thiết kế để tận dụng không gian theo chiều dọc. Thay vì gắn chúng trong một mặt phẳng, chúng có thể được sắp xếp theo chiều dọc với nhau để cho phép các "đồ vật" được xếp vào cùng một dấu chân.

CFET là một thiết kế 3D mà chúng ta có thể sẽ thấy vào đầu những năm 2030.


Cho dù chúng ta có thể thông minh đến mức nào với các thiết kế bóng bán dẫn trong tương lai, không thể tránh khỏi thực tế là sự kết thúc của Định luật Moore đang đến gần sớm hơn bất kỳ ai mong muốn.

Bóng bán dẫn 3D là một cách để chúng ta tạm thời giải quyết vấn đề, nhưng chúng chỉ là một phần của bức tranh. Người ta chú trọng nhiều hơn đến việc thiết kế bộ xử lý vượt trội ở các tác vụ cụ thể—như bộ xử lý thần kinh (NPU) với các ứng dụng AI—để tối đa hóa hiệu suất. Cũng có khả năng các vật liệu mới sẽ có những đặc tính tốt hơn cho phép bóng bán dẫn thế hệ tiếp theo thu nhỏ hơn nữa hoặc một bước đột phá trong điện toán lượng tử sẽ khiến chúng hữu ích hơn cho các ứng dụng hàng ngày, nhưng không có gì đảm bảo. Đó là những lựa chọn cuối cùng có thể bị giới hạn bởi các định luật vật lý.