Hiện trạng phức tạp của Luật Moore – 1

Các nốt công nghệ, hay những cột mốc lịch sử của ngành công nghệ bán dẫn, không còn có ý nghĩa như trước đây.


Phần 1, 2


Minh họa: Harry Campbell

Một tối thứ Ba lạnh lẽo cuối tháng 12/2012, vài chục nhà nghiên cứu vật lý và kỹ sư, những con người đang ước vọng về thế hệ transistor kế tiếp, họp mặt ở San Francisco để bàn thảo về một tương lai xa hơn. Liệu chiếc công tắc tiên tiến nhất hiện nay—một transistor ba chiều hay còn được gọi là FinFET—có thể đưa các con chíp “tới đích”, một viễn cảnh xa vời và rất có thể là bất khả thi mà ở đó các transistor chỉ cấu thành bởi vỏn vẹn vài ba nguyên tử? Hoặc là chúng ta cần tới một công nghệ mới để cán đích?

Chuyện này nghe cứ như là một cuộc tranh luận lê thê, phức tạp mà vô bổ, nhưng thực ra nó lại có tác động to lớn tới thực tại. Năm 2012, ngành công nghiệp bán dẫn đạt doanh thu 300 tỷ đô la Mỹ. Sau hàng thập kỷ phát triển đúng theo lời tiên đoán của Gordon Moore về nhân đôi mật độ transistor theo chu kỳ từ 1 năm rưỡi tới 2 năm, ngành này hiện đang sản xuất ra các con chíp chứa các transistor được chế tạo từ cái vốn được các hãng gọi là quy trình chế tạo 20- hoặc 22-nanometer(nm). Một con chíp, ví dụ như chíp vi xử lý hay chíp bộ nhớ DRAM, được chế tạo từ quy trình này có thể chứa hàng tỷ transistor.

Dẫu sao thì mọi chuyện ở đỉnh cao công nghệ vẫn luôn khó khăn. Mỗi một thế hệ chíp mới với mật độ siêu dày đặc lại đòi hỏi một quy trình chế tạo mới có độ phức tạp khó tưởng tượng nổi, cả về mặt công nghệ và kỹ thuật. Quá trình chuyển đổi công nghệ này đã trở nên khó khăn tới mức mà giờ đây các chuyên gia bán dẫn khó còn tìm được đủ ngôn từ để miêu tả (nó).

Ví dụ, ở chính cuộc họp kể trên, Chenming Hu, đồng phát minh ra FinFET, bắt đầu bằng việc vạch ra lộ trình sắp tới. Ông nói, không bao lâu nữa, chúng ta sẽ thấy chíp 14-nm và 16-nm xuất hiện (chíp 14-nm được dự đoán là của Intel, đã được lên kế hoạch đi vào sản xuất đại trà vào đầu năm 2014). Rồi ông nói thêm một câu mà giọng điệu thông thường ẩn đi hàm ý sâu xa của nó: “Chẳng còn ai biết 16nm và 14nm nghĩa là gì nữa.”

Thậm chí điều này đã trở thành cục tức chung của giới chuyên gia trong ngành công nghiệp bán dẫn. Việc gắn các số đo với các thế hệ chíp “đã bị giới tiếp thị lạm dụng một cách nghiêm trọng,” một chuyên gia thiết kế chíp thổ lộ với tôi. “Đa số là bịp bợm,” chuyên gia phân tích Dan Hutcheson của VLSI Research ở Santa Clara, California, nhận xét. Ông nói, đây thực chất chỉ là một lối “nói lái” để giấu đi các khoảng cách công nghệ ngày càng nới rộng giữa các công ty chế tạo chíp.

Các con số có đơn vị nanô-mét mà Hu đề cập tới được gọi là các nốt công nghệ, hay còn được coi là các cột mốc của Luật Moore. Trong đó, mỗi nốt ghi dấu một thế hệ công nghệ chế tạo chíp mới. Đồng thời sự tiến triển của các nốt này theo thời gian cho thấy các bước tiến đều đặn của cả chíp tương tự và số : Con số càng bé thì kích thước các transistor càng nhỏ và có nghĩa là chúng sẽ được đặt gần nhau hơn, tạo ra các con chíp có mật độ transistor dày đặc hơn và do vậy có giá thành thấp hơn tính theo đơn vị transistor.

Dẫu vậy thì mối quan hệ giữa tên các nốt và kích cỡ của các con chíp lại không hề đơn giản. Ngày nay, tên một nốt không phản ánh được kích cỡ của một chi tiết cụ thể của chíp như trước nữa. Trong năm ngoái (2012), việc sử dụng tên nốt càng trở nên rắc rối, khi mà các công ty chuẩn bị cho ra lò các chíp 14-nm và 16-nm, được thiết kế nhằm phục vụ các các khách hàng, trong đó có các công ty sản xuất điện thoại thông minh. Tên là vậy nhưng chúng không có mật độ transistor cao hơn so với thế hệ chíp 20-nm. Đó có thể chỉ là một trục trặc nhỏ, chỉ tạm thời làm gián đoạn quá trình cải thiện mật độ chíp. Nhưng nó cũng thể hiện rõ hiện trạng phức tạp của lĩnh vực này.

Khi phản ánh qua sự tiến triển của tên nốt, có vẻ như Luật Moore thật đơn giản và bất khả kháng. Tuy nhiên, ngày nay hệ lụy của quá trình sản xuất và thiết kế phức tạp đang buộc các công ty phải cân nhắc các yếu tố một cách rất thận trọng. Thêm vào đó, một số nhà phân tích nhận định rằng dù chúng ta có gọi tên thế hệ chíp kế tiếp thế nào đi nữa thì việc chuyển đổi từ nốt cũ sang nốt mới cũng sẽ không mang lại những ích lợi về giá thành hay hiệu suất như trước.

Khi tôi hỏi An Steegen “Theo chị 14nm thực sự nghĩa là gì?” ở một cuộc hội thảo chuyên ngành vào tháng 07/2013, chị nở một nụ cười gượng gạo, láu lỉnh. “Àh, … tên tuổi có nghĩa gì ấy à?” Steengen, phó giám đốc cấp cao về phát triển quy trình chế tạo tại Imec, viện nghiên cứu của Bỉ. “Thực ra thì chẳng có mấy ý nghĩa nữa.”

Đây là hiện trạng đã và đang hình thành trong suốt gần hai thập kỷ qua. Trước kia, tên nốt cho bạn biết gần hết những điều cần thiết về công nghệ nền của một con chíp. Nếu bạn dùng kính hiển vi để quan sát các con chíp vi xử lý dùng quy trình 0,35um, được chế tạo bởi các công ty khác nhau, bạn sẽ thấy chúng khá giống nhau.

Tên tuổi có ý nghĩa gì?
Các kích thước quan trọng của chíp, như chiều dài của cực cổng (gate) của transistor [vàng] và phân nửa khoảng cách tối thiểu [cam] giữa các dây dẫn lớp kim loại một (dây dẫn kim loại ở lớp thấp nhất, đây thường là lớp dây dẫn có mật độ dày đặc nhất) – đang giảm dần nhưng không thực sự bắt kịp với tên nốt [đỏ]. Những số liệu này do GlobalFoundries cung cấp, thể hiện kế hoạch tăng tốc của công ty này nhằm đưa chíp 14nm ra đại trà trong năm 2014, sớm hơn một năm so với dự kiến.

Vào khoảng giữa những năm 1990, những con chíp tiên tiến nhất thời này thuộc nốt 0,35um. Đây cũng chính là kích thước của chi tiết nhỏ nhất có thể chế tạo trên chúng. Số liệu này quy định các kích thước như độ dài của cực cổng của transistor, điện cực chịu trách nhiệm bật hoặc tắt phần tử mạch này. Do độ dài của cực cổng ảnh hưởng trực tiếp tới tốc độ bật tắt của transistor, do vậy bạn sẽ thấy hiệu suất mạch được cải thiện rõ rệt khi chuyển đổi từ chíp thế hệ cũ sang chíp dùng công nghệ 0,35um. Thuật ngữ “nốt 0,35um” này thực sự có ý nghĩa cụ thể.

Nhưng cùng vào thời điểm đó, mối liên hệ giữa hiệu suất của công nghệ và tên nốt của nó bắt đầu rạn nứt. Để đạt được tốc độ đồng hồ cao hơn, các công ty sản xuất chíp đã mở rộng bộ công cụ của họ. Họ tiếp tục sử dụng công nghệ khắc bằng tia cực tím để hình thành các phần tử mạch và dây dẫn của con chíp, như họ vẫn từng làm trước đây. Tuy nhiên họ bắt đầu loại bỏ phần đầu của cực cổng của transistor, khiến cho chúng trở nên ngắn hơn, và do đó hoạt động nhanh hơn.

Một thời gian sau, “không công ty nào có bộ luật (quy tắc) thiết kế mà người khác có thể xem qua và nói, ‘Cái này quy định tên nốt’,” Mark Bohr, một chuyên gia cao cấp của Intel, cho biết. Thế hệ chíp 0,13um của công ty này ra mắt trong năm 2001, có các transistor với cực cổng chỉ dài 70nm. Dẫu vậy, Intel vẫn gọi chúng là chíp 0,13um do đó là tên của nốt kế tiếp. Do muốn có một hệ thống tên nhất quán, cả ngành công nghiệp ít nhiều bị mắc kẹp với lối đặt tên truyền thống. Mặc cho mức thay đổi của các số đo của transistor đã khác đi, các công ty sản xuất chíp vẫn lèn các transistor càng gần lại với nhau và gán cho mỗi thế hệ chíp kế tiếp một con số bằng khoảng 70% con số của thế hệ trước. Việc giảm 30% trên cả hai trục X và Y tương đương với giảm 50% diện tích của một transistor. Do đó có thể nhân đôi mật độ transistor của chíp.

Xu hướng đặt tên này vẫn tiếp diễn trong khi các transistor ngày càng trở nên phức tạp hơn. Sau nhiều năm thu nhỏ cực cổng, phương pháp đơn thuần để thực hiện việc này vấp phải giới hạn vào những năm đầu 2000: Thu nhỏ một transistor không có nghĩa là nó sẽ nhanh hơn hay ít tốn năng lượng hơn. Bởi vậy nên Intel, cùng với các công ty khác, đưa ra các công nghệ mới để giúp cải thiện hiệu năng của transistor. Đầu tiên họ dùng kỹ thuật kéo căng (strain engineering), hay nói đơn giản là thêm các chất phụ gia vào silicon để làm thay đổi tính chất của tinh thể (làm cho các lớp tinh thể xa nhau ra hay giãn ra, do đó giúp các hạt điện tích di chuyển qua lại dễ dàng hơn). Việc này có thể giúp tăng tốc transistor mà không làm thay đổi kích thước bề mặt của nó. Tiếp đó họ sử dụng các loại vật liệu cách ly và cực cổng mới. Và rồi hai năm trước, họ thay đổi cả cấu trúc của transistor để tạo ra một loại transistor mới, hiệu quả hơn là FinFET với kênh dẫn dòng nằm ngay bên trên bề mặt của chíp.

Các con số trong tên nốt vẫn giảm dần đều trong suốt thời gian này, và mật độ của transistor vẫn tiếp tục nhân đôi qua mỗi thế hệ chíp. Tuy vậy, các tên nốt đã không còn khớp với bất kỳ kích thước cụ thể nào của các con chíp. “Các kích thước tối thiểu ngày càng bé đi,” Bohr nói. “Nhưng tôi sẽ là người đầu tiên thú nhận rằng tôi không thể chỉ vào một kích thước duy nhất mà xác định rằng, công nghệ đó là 32nm, là 22nm, hay 14nm. Giờ đây, có kích thước nhỏ hơn tên nốt, trong khi những kích thước khác thì lớn hơn.”

Việc chuyển đổi qua FinFET làm cho tình hình càng trở nên phức tạp. Ví dụ, Bohr chỉ ra rằng các con chíp 22nm tiên tiến nhất của Intel có các transistor có cực cổng dài 35nm, nhưng kênh dẫn dạng vây (Fin) lại chỉ rộng có 8nm.

Dĩ nhiên đây chỉ là quan điểm đứng từ phía các công ty sản xuất chíp. Về phần mình, Paolp Gargini, chủ tịch của tổ chức International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS – Lộ trình Công nghệ Bán dẫn Quốc tế) thì khẳng định rằng nốt công nghệ vẫn luôn được định nghĩa bởi khoảng cách tối thiểu giữa các dây dẫn thuộc lớp kim loại thấp nhất của con chíp. Tuy khoảng cách này phản ánh tốt tên nốt trong các chíp bộ nhớ ví dụ như DRAM hay sau đó là bộ nhớ Flash, thì nó lại không đúng trong mạch logic.


Phần 1, 2


Advertisements

Trả lời

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Đăng xuất / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Đăng xuất / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Đăng xuất / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Đăng xuất / Thay đổi )

Connecting to %s

%d bloggers like this: