Cuộc đua transistor 3-D

Hai năm sau khi Intel giới thiệu công nghệ transistor 3-D, các công ty sản xuất bán dẫn đua nhau để đưa FinFET đến tay các kỹ sư thiết kế chíp.

Transistor 3-D, hay FinFET, điều khiển dòng điện chạy giữa cực source và cực drain hiệu quả hơn nhờ cực gate bao bọc kênh dẫn ở cả 3 mặt. (Hình minh hoạ: Emily Cooper. Nguồn: IEEE Spectrum Magazine)

Transistor 3-D được dự đoán sẽ trở nên phổ biến. Sau khi bị Intel bỏ rơi lại phía sau trong cuộc chơi transistor 3-D, các công ty sản suất bán dẫn lớn trên thế giới đang dốc sức nghiên cứu để sản xuất những con transistor hiện đại nhất này. Một số công ty áp dụng một cách tiếp cận mới: kết nối các con transistor mới này bằng các lớp kim loại được tạo ra bằng một phương pháp cũ.

Các công ty sản xuất bán dẫn hy vọng việc kết hợp như vậy sẽ đưa được transistor 3-D, hay FinFET, đến các công ty thiết kế chíp trước năm 2014, nghĩa là 1 năm sớm hơn so với dự đoán trước kia. Điều đó sẽ giúp họ thu hẹp khoảng cách với Intel. Intel là công ty đầu tiên đưa transistor 3-D vào sản xuất thương mại vào năm 2011 và rất có thể, trừ một vài trường hợp ngoại lệ, sẽ chỉ sử dụng công nghệ này trong các nhà máy của mình. Intel dự định dùng các transistor này trong các chíp dành cho điện thoại thông minh và máy tính bảng để cạnh tranh với các công ty thiết kế chíp thông qua các công ty sản xuất bán dẫn.

Các công ty sản xuất bán dẫn chuyển sang dùng FinFET vì họ nhận thấy việc thu nhỏ các transitor truyền thống không làm tăng khả năng hoạt động của các transistor lên nhiều nữa. FinFET, với khả năng dẫn dòng điện trên các mặt bên của kênh dẫn, có khả năng mang được dòng điện cao hơn và rò rỉ ít hơn nên có thể tạo thành các mạch điện vận hành mạnh mẽ hơn dù tiêu thụ ít điện năng hơn. Các công ty sản xuất bán dẫn như GlobalFoundries, Samsung, TSMC, và United Microelectronics đã tỏ rõ quyết tâm theo đuổi công nghệ này. Mục tiêu của họ là đưa FinFET vào công nghệ 14-nm, nghĩa là chậm hơn khoảng một thế hệ so với Intel với công nghệ 22-nm.

Để đạt được mục tiêu trên, cả GlobalFoundries và TSMC tiết lộ rằng họ sẽ dùng một bước trung gian: thay thế các transistor phẳng truyền thống bằng các FinFET ở mật độ cao hơn, nhưng không thay đổi quy trình sản xuất các lớp kim loại dùng để kết nối các transistor. Vì thế, mặc dù sẽ có nhiều transistor hơn trên một đơn vị diện tích, một lượng lớn các transistor sẽ không được kết nối và không thể sử dụng. Các con chíp sẽ không nhỏ hơn nhiều so với các con chíp sản xuất trên công nghệ 20-nm hiện tại. Điều đó có nghĩa là họ không thể tạo ra nhiều chíp hơn trên một đĩa bán dẫn để giảm giá thành. Tuy nhiên, GlobalFoundries ước lượng rằng các chíp này, tối thiểu, sẽ hoạt động nhanh hơn 55% và tiêu thụ ít hơn 40% năng lượng so với các chíp sản xuất trên công nghệ 20-nm.

Với cách tiếp cận này, GlobalFoundries sẽ giữ lại hơn 7000 quy tắc thiết kế (design rule) đã được phát triển cho nền tảng 20-nm truyền thống (phẳng) và chỉ phải thay đổi khoảng 60 quy tắc có liên quan đến FinFET, Subramani Kengeri, phó chủ tịch phụ trách kiến trúc công nghệ mới của GlobalFoundries, cho biết. “Thế hệ đầu tiên của FinFET sẽ là một thử thách cực kỳ to lớn. Đó là điều chắc chắn. Tăng rủi ro bằng cách thêm các chi tiết không thực sự cần thiết cho FinFET không phải là một cách hay.” Một bước đệm sẽ cho phép công ty đưa công nghệ này vào sản xuất đại trà sớm hơn một năm.

Bên trong một nhà máy sản xuất chíp của TSMC. (Nguồn: IEEE Spectrum Magazine)

TSMC, công ty phát triển FinFET cho nền tảng 16-nm, nói rằng các con chíp của họ “tương đương” về kích thước cũng như mật độ transistor so với các chíp 14-nm của các công ty sản xuất bán dẫn khác. Cả TSMC và GlobalFoundries hy vọng sẽ chế tạo các chíp thử nghiệm cho khách hàng vào cuối năm 2012 và sẽ sản xuất đại trà vào năm 2014. Lịch trình này của TSMC cũng giống như lịch trình công nghệ 14-nm của Intel.

“Tôi nghĩ rằng cách tiếp cận từng bước này là khả thi và an toàn vì nó không yêu cầu nhiều thay đổi cùng lúc trong khi vẫn phát triển được một công nghệ có thể đưa vào sản xuất được,” Chi-Ping Hsu, người dẫn dắt công tác nghiên cứu phát triển của nhóm Silicon Realization Group ở Cadence, một công ty phát triển phần mềm thiết kế điện tử ở San Jose, California, cho biết.

FinFET là “một thách thức lớn cho cả ngành công nghiệp,” Hsu nói. Ông ước lượng rằng nhóm của ông ở Cadence đã bỏ ra công sức tương đương với 4000 người làm việc trong 1 năm để đảm bảo rằng các phần mềm máy tính có thể mô phỏng các hoạt động của bộ xử lý ngày nay trong một khoảng thời gian hợp lý. Các FinFET, vốn có tương tác mạnh hơn với các transistor xung quanh, sẽ làm cho việc mô phỏng khó khăn hơn. Hsu cho rằng các công ty sản xuất bán dẫn và đối tác của họ sẽ tốn khoảng 6 tỷ USD để phát triển năng lực sản xuất và các công cụ tính toán cần thiết để chế tạo các chíp 14-nm và 16-nm.

Việc đầu tư này có đem lại hiệu quả hay không vẫn chưa rõ ràng, Sam Tuan Wang, chuyên gia phân tích hoạt động của các công ty sản xuất bán dẫn cho Gartner, nói. “Người ta nói rằng nếu Intel có thể làm được thì tôi cũng làm được. Cái đó chưa hẳn đâu,” ông nói. Chúng ta có thể sẽ không phải đợi lâu để biết ai đúng.

• Nguyên bản tiếng Anh: “Foundries Rush 3-D Transistors,” Rachel Courtland, IEEE Spectrum Magazine, January 2013.
• Người dịch: Tạ Minh Chiến
• Hiệu chỉnh: Phạm Duy Đông