10 sự kiện nổi bật trong ngành bán dẫn thế giới năm 2023

IEEE Spectrum là tạp chí của Viện Kỹ sư Điện và Điện tử (Mỹ), tổ chức chuyên nghiệp lớn nhất thế giới dành cho kỹ thuật và khoa học ứng dụng. Các nhà công nghệ hàng đầu thường sử dụng tạp chí này như một trong những nguồn quan trọng để cập nhật xu hướng công nghệ mới trên thế giới.

Cuối năm 2023, Samuel K. Moore, biên tập viên cao cấp của IEEE Spectrum, đã chọn ra 10 sự kiện nổi bật nhất liên quan đến lĩnh vực bán dẫn, bao gồm:

Một sự chia rẽ trong thế giới thiết kế chip đã nổ ra khi gã khổng lồ công nghệ Google quyết định sử dụng hệ thống trí tuệ nhân tạo (AI) để thực hiện một bước quan trọng trong việc đặt ra các đoạn logic và bộ nhớ cho bộ xử lý Tensor, hay còn gọi là TPU, một loại vi xử lý do Google tạo ra để phục vụ học máy.

Trong nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature năm 2021, Google tuyên bố đã đánh bại các thuật toán nghiên cứu hàng đầu và các nhà thiết kế chip trong việc tìm ra bố cục tối ưu. Họ cho biết, trí tuệ nhân tạo chỉ mất vài giờ để thiết kế ra con chip mà các chuyên gia con người mất nhiều tháng để phát triển. Tuy nhiên, một nhóm đối thủ khác tại Google nói rằng không phải như vậy, nhưng công ty không công bố kết quả của nhóm này.

Bài báo của Google đã được trích dẫn hơn 100 lần, nhưng các nhà phê bình cho rằng bài báo không đủ chi tiết để cho phép những người khác kiểm tra các phát hiện mới và họ nói rằng quyết định xuất bản bài báo của Nature là một sai lầm.

Trong nỗ lực tái tạo kết quả bằng kỹ thuật đảo ngược, một nhóm do GS. Andrew Kahng (Đại học California, San Diago) dẫn đầu đã báo cáo kết quả ngược lại, tức phương pháp của Google không vượt trội hơn so với phương pháp truyền thống của chuyên gia con người, như trong bản thảo công bố tại Hội nghị chuyên đề quốc tế ACM / IEEE hồi tháng 3/2023.

Tuy nhiên, nhóm của GS. Kahng cũng thừa nhận họ không có cách nào để "sao chép lại quá trình đào tạo trước được mô tả trong bài báo của Nature" vì Google không mở nguồn tất cả dữ liệu.

GS. Kahng là một trong những người bình duyệt bài nghiên cứu của Google đăng trên Nature năm 2021. Tại thời điểm đó, ông đã có một bài xã luận đăng trên Nature với tiêu đề "Hệ thống AI vượt trội hơn con người trong việc thiết kế sơ đồ sàn cho vi mạch" nhằm ca ngợi về những tiềm năng trong cách tiếp cận AI của Google.

Tuy nhiên, sau 2 năm với những quan điểm trái chiều trong giới công nghệ, đặc biệt khi Google công bố mã nguồn mở Circuit Training của mình trên GitHub vào tháng 9 năm ngoái, Gs. Kahng đã rút lại bài xã luận này vì khi phương pháp được sử dụng trong bài báo của Google được công bố công khai, đánh giá và kết luận của ông về những đóng góp của bài báo đó đã thay đổi. Nature cũng đang thực hiện một cuộc điều tra độc lập về các tuyên bố hiệu suất trong bài báo.

Trong khi đó, Google vẫn kiên trì ủng hộ giải pháp AI của mình. Hồi tháng 8/2023, Jeff Dean, người đứng đầu về khoa học tại Google DeepMind, chỉ ra rằng so với các phương pháp khác dùng trên chip xử lý TPU, có tới 26 trong tổng số 37 khối của TPU có hiệu suất bố cục tốt hơn khi dùng AI để thiết kế, và 7 khối khác hoạt động ở mức tương đương.

Với việc đạo luật CHIPS được thông qua, chính phủ Mỹ và các tập đoàn tư nhân đang bơm hàng tỷ USD vào sản xuất chip. Vấn đề là, ai sẽ làm việc trong các nhà máy mới này? Theo một báo cáo, các trường đại học trên khắp nước Mỹ, đặc biệt là những trường gần các dự án xây dựng nhà máy, đang từng bước đẩy mạnh phát triển giáo dục bán dẫn và đào tạo sinh viên nhằm đáp ứng nhu cầu nhân sự của ngành.

Tháng 11/2023, các nhà nghiên cứu tại Đại học California, Los Angeles đã phát minh ra bóng bán dẫn nhiệt, thiết bị thể rắn đầu tiên sử dụng tín hiệu điện tử để kiểm soát dòng nhiệt và nhiệt độ trong chip.

Từ lâu, việc loại bỏ nhiệt đã là một giới hạn hiệu suất của bộ xử lý và nó sẽ càng trở nên khó khăn hơn khi các bộ xử lý được xếp chồng lên nhau thành các chiplet. Ngay cả các phương pháp tiên tiến ngày nay cũng phản ứng chậm với những thay đổi về nhiệt độ chip hơn khi so sánh với bóng bán dẫn nhiệt có thể bật và tắt dẫn nhiệt nhanh tới 1 megahertz.

Trong số hàng trăm quy trình sản xuất chip, có thể nói quang khắc là bước quan trọng nhất. Kỹ thuật in thạch bản dùng tia cực tím để in các mẫu có kích thước nanomet trên chip đã được các kỹ sư của ASML cải tiến để giảm độ phân giải của ánh sáng xuống dưới 13,5 nanomet.

Là nhà cung cấp các hệ thống quang khắc lớn nhất cho ngành công nghiệp bán dẫn, ASML đã từng cung cấp các kỹ thuật cho phép các bước sóng ánh sáng từ 365 nm, được tạo ra bằng đèn thủy ngân, đến 248 nm, thông qua tia laser krypton-fluoride vào cuối những năm 1990, và sau đó đến 193 nm, từ tia laser argon-fluoride, vào đầu thế kỷ này.

Kỹ thuật in thạch bản cực tím mới với bước sóng ánh sáng 13,5 nm được gọi là ASML EXE: 5000, và sẽ có sẵn để sử dụng thương mại vào năm 2025.

Nhiều người lo ngại về lượng khí thải carbon của hoạt động sản xuất chất bán dẫn trong vài năm qua. Tuy nhiên, sự lo ngại này dường như có lợi vì nó đã thúc đẩy việc sử dụng các chất bán dẫn như cacbua silic (SiC) và gali nitrit (GaN). Chúng không chỉ hiệu quả hơn so với các chất bán dẫn silicon hiện có, mà còn có thể “bẫy” được rất nhiều carbon đi vào khí quyển.

Hợp chất bán dẫn GaN đã được sử dụng trong các bóng đèn LED từ những năm 2001. Chỉ sau hai thập kỷ, bóng đèn LED dùng GaN đã tăng thị phần từ 0% lên hơn 50% thị phần các thiết bị chiếu sáng toàn cầu. GaN cũng có thể được dùng cho các thiết bị điện tương tự nhưng với công suất nhỏ hơn, chẳng hạn như trong các trạm gốc cho 5G và 6G; radar; bộ sạc điện thoại, máy tính bảng và máy tính xách tay.

Trong khi đó, từ khoảng 2017, chất bán dẫn SiC đã bắt đầu thay thế các bộ phận điện tử dựa trên silicon trong các thiết bị điện tử công suất lớn và quan trọng, ví dụ bộ biến tần xe điện, bộ biến tần dành cho lưới điện và pin mặt trời v.v

Nhìn chung, GaN và SiC đang cạnh tranh nhau để trở thành công nghệ chiếm ưu thế trong thời gian tới. Nhưng bất kể sự cạnh tranh diễn ra như thế nào, người ta cũng chắc chắn được rằng hàng tỷ tấn khí nhà kính sẽ được giảm nhờ chu kỳ thay thế và trẻ hóa công nghệ mới này.

Kể từ khi vi mạch tích hợp (IC) được phát minh, tất cả các kim loại kết nối bóng bán dẫn đều được gắn trên bề mặt silicon. Điều này đã chứng minh hiệu quả trong nhiều thập kỷ, nhưng giờ đây chúng có lẽ phải thay đổi để các kết nối cấp điện nhường chỗ cho nhiều kết nối mang dữ liệu hơn. Về cơ bản, các kết nối cấp điện cho chip càng ngắn và càng rộng thì chúng sẽ ít bị mất năng lượng hơn. Các nhà nghiên cứu đã ấp ủ một kế hoạch di chuyển mạng lưới cấp điện cho chip xuống mặt dưới tấm silicon để có thể làm được các đường kim loại dẫn điện rộng hơn, trong khi chừa nhiều chỗ ở mặt trên hơn để gắn các kết nối mang dữ liệu.

Intel là nhà sản xuất chip đầu tiên thông báo rằng họ sẽ sản xuất chip sử dụng công nghệ điện tích hợp mặt sau mà họ gọi là PowerVia. Vào tháng 6, công ty đã chia sẻ kết quả cho thấy, PowerVia đã khiến hiệu suất tăng khoảng 6%, tức là bằng khoảng một nửa những gì ta thường thu được từ việc giảm quy mô bóng bán dẫn. Intel sẽ sản xuất CPU sử dụng sự kết hợp giữa PowerVia và bóng bán dẫn mới, được gọi là RibbonFET, vào năm 2024.

Các kỹ sư tại công ty khởi nghiệp Avicena và Ayar Labs ở Thung lũng Silicon (Mỹ) đã tích hợp sợi quang laser làm từ chất bán dẫn phức tạp vào các tấm silicon để khắc phục nhược điểm của sợi laser trên silicon. Điều này giúp đẩy nhanh quá trình truyền dữ liệu giữa bộ xử lý và các chip khác. Họ đã đưa ra bốn cách tích hợp laser, được xếp hạng từ thực tế, sẵn sàng áp dụng nhất đến những cách mang tính đột phá, sáng tạo nhất nhưng cần thời gian mới tới được.

Thay vì sử dụng điện trường để tăng tốc các hạt electron dọc theo một rãnh dài, các nhà khoa học ở Đức đã sử dụng ánh sáng để kéo chúng qua một rãnh chỉ rộng vài nanomet và dài 0,5 milimét. Khi đó, các electron có thể chuyển động nhanh hơn tới 40%.

Máy gia tốc này có kích thước chỉ bằng một đồng xu. Các nhà khoa học hy vọng một ngày nào đó họ có thể dùng chúng cho các nghiên cứu y học và các ứng dụng khác.

Chất bán dẫn nhanh nhất được phát hiện có cấu trúc từ 6 nguyên tử rhenium, 8 nguyên tử selen và 12 nguyên tử clo. Phân tử này tạo thành các “siêu cụm” hoạt động giống như một nguyên tử lớn nhưng có những đặc tính mà không một nguyên tố nào trong đó có được.

Bí mật về tốc độ của nó nằm ở hành vi của các phonon - những hạt giống nhau được tạo thành từ sự rung động bên trong vật rắn. Thông thường, phonon đóng vai trò cản trở, làm chậm dòng electron chạy trong vật liệu bán dẫn. Chúng cản trở "exciton", những cặp electron và lỗ trống gắn kết với nhau. Tuy nhiên, trong phân tử mới này, mọi chuyện lại khác: phonon liên kết với exciton tạo thành những "hạt giả" mới có khả năng di chuyển tự do qua bán dẫn với tốc độ gấp đôi so với electron thông thường.

Các nhà khoa học đã trình bày chi tiết những phát hiện của họ trên tạp chí Science.

Thông qua một quá trình trao đổi electron phức tạp giữa nhiều phân tử và trạng thái năng lượng, các nhà khoa học đã tìm ra cách biến hai photon vô dụng (tức các photo không bị pin mặt trời hấp thụ) thành một photon hữu dụng. Bằng cách này, người ta có thể giảm lượng photon cần thiết để tạo ra cùng một lượng điện năng. Hay nói cách khác, người ta có thể chế tạo ra các pin mặt trời cần ít silicon hơn để tạo ra cùng một lượng điện, từ đó giảm chi phí sản xuất và tiết kiệm tài nguyên.