Chế tạo chip 3D nhanh nhất thế giới

Chip 3D với tốc độ tính toán nhanh gấp 1.000 lần tốc độ nhanh nhất hiện tại. Ảnh: Max Shulaker

Thiết kế 3D cho phép các nhà khoa học tăng dung lượng lưu trữ dữ liệu bằng cách đan xen bộ nhớ và các bộ vi xử lý trong một không gian nhỏ hẹp, Max Shulaker, nghiên cứu sinh tiến sĩ về kỹ thuật điện tại Đại học Stanford, California cho biết.

Theo Live Science, trong bài thuyết trình hôm 10/9 tại một diễn đàn công nghệ của Cơ quan nghiên cứu phòng thủ tiên tiến thuộc quân đội Mỹ, Shulaker nói rằng giảm khoảng cách giữa các linh kiện sẽ làm giảm đáng kể thời gian máy tính xử lý thông tin.

Sự phát triển vượt bậc của công nghệ máy tính trong 50 năm qua nhờ một phần rất lớn vào việc chế tạo các bóng bán dẫn ngày một nhỏ đi. Theo định luật Moore, do nhà nghiên cứu bán dẫn Gordon E. Moore đưa ra năm 1965, số lượng bóng bán dẫn trên một chip silicon sẽ tăng gấp đôi sau hai năm.

Đúng như dự đoán của ông, các bóng bán dẫn ngày một nhỏ đi, với phần nhỏ nhất có kích thước 5 nanomet và những linh kiện chức năng là 7 nanomet, nhỏ hơn nhiều so với chiều rộng sợi tóc người là 100.000 nanomet.

Tuy nhiên, việc giảm kích thước cũng chỉ có giới hạn. Quá nhỏ thì các hiệu ứng lượng tử của các hạt sẽ ảnh hưởng tới chức năng của chúng. Vì thế, rất có khả năng định luật Moore sẽ kết thúc trong vòng 10 năm tới, theo nhận định của các chuyên gia. Các máy tính sau đó có thể sẽ không thể tăng tốc độ xử lý được nữa.

Do đó, các nhà khoa học phải tính đến sự tối ưu hóa quy trình truyền dữ liệu nhằm tăng tốc độ cho máy tính. Máy tính ngày nay sau khi xử lý xong thông tin sẽ truyền tải thông tin đó đi dưới dạng dòng điện thông qua các dây dẫn kết nối giữa bộ vi xử lý và ổ cứng. Điện trở của các dây dẫn sẽ ảnh hưởng đến tốc độ này.

Trong thời gian chờ đợi thông tin di chuyển, bộ vi xử lý ở trạng thái "nhàn rỗi", không thực hiện bất kỳ một công việc nào, dù vẫn phải sử dụng năng lượng.

"Bạn đang lãng phí một lượng năng lượng rất lớn", Shulaker nói. Giải quyết vấn đề này khá khó khăn, do không thể đặt CPU (bộ vi xử lý trung tâm) và bộ nhớ trên cùng một đế silicon. Nhiệt độ của đế silicon sẽ lên tới hơn 1.000 độ C, vượt qua nhiệt độ nóng chảy của nhiều kim loại sử dụng trong các loại ổ cứng.

Để vượt qua khó khăn này, Shulaker và các cố vấn đề xuất sử dụng một loại vật liệu khác là ống nano carbon (CNT). CNT có các tính chất tương tự các vật liệu bán dẫn truyền thống.

"CNT sẽ trở thành bóng bán dẫn tốt hơn, giúp thông tin di chuyển nhanh hơn và tốn ít năng lượng hơn", Shulaker nói. Tuy nhiên, do các CNT hình thành bất quy tắc nên không dẫn điện tốt, các nhà nghiên cứu phải phát triển phương pháp hình thành CNT trong các rãnh hẹp để chúng sắp xếp thẳng hàng với nhau.

Bằng phương pháp này, khoảng 99,5% CNT sẽ sắp xếp thẳng hàng. Số ít sắp xếp theo hướng khác ngẫu nhiên được xử lý bằng cách khoan vài lỗ trên chip ở các vị trí nhất định.

Một vấn đề khác nữa là khi hầu hết CNT hoạt động giống như chất bán dẫn, vẫn có một số ít biểu hiện giống kim loại, và không có cách nào để dự đoán được tính chất các ống này. Chúng có thể làm hỏng cả một con chip.

Shulaker và các đồng nghiệp xử lý bằng cách "tắt" tất cả các CNT bán dẫn, và cho một dòng điện rất lớn chạy qua các CNT kim loại còn lại. Dòng điện sẽ phá hủy hết các CNT này, giống như khi có một dòng điện quá lớn chạy qua cầu chì.

Nhóm của Shulaker năm 2013 thiết kế một máy tính bóng bán dẫn CNT. Tuy nhiên nó còn khá cồng kềnh và chậm chạp, cũng như số lượng bóng bán dẫn ít.

Giờ đây họ đã tạo ra được một hệ thống sắp xếp bộ nhớ và bóng bán dẫn theo nhiều lớp, kết nối bằng dây dẫn nhỏ. Thiết kế 3D này đã cắt giảm thời gian thông tin di chuyển giữa các bóng bán dẫn và bộ nhớ, và có thể tạo ra các chip với tốc độ tính toán nhanh gấp 1.000 lần tốc độ nhanh nhất hiện nay. Nhóm đã ứng dụng kiến trúc mới này trong các tấm cảm biến để phát hiện mọi thứ, từ ánh sáng hồng ngoại tới các hóa chất đặc biệt trong môi trường.

Bước tiếp theo là mở rộng hệ thống hơn nữa, tạo ra những con chip lớn hơn và phức tạp hơn.