Tại hội nghị công nghệ và vi mạch VLSI 2026 diễn ra tuần này ở Hawaii, ba tên tuổi lớn trong ngành bán dẫn thế giới gồm Trung tâm nghiên cứu bán dẫn Imec (Bỉ), nhà sản xuất thiết bị quang khắc ASML (Hà Lan) và xưởng đúc chip TSMC (Đài Loan) đã công bố một bước tiến quan trọng: quy trình sản xuất thương mại dành cho bóng bán dẫn làm từ vật liệu 2D.
Lần đầu tiên transistor 2D bổ trợ đạt kích thước 50 nm trên wafer tiêu chuẩn
Theo thông báo chung, ba đơn vị đã nghiên cứu và chế tạo thành công cả hai loại transistor bổ trợ nFET và pFET trên cùng một tấm wafer đường kính 300 mm tiêu chuẩn. Đáng chú ý, khoảng cách giữa các cực cổng đạt mức siêu nhỏ 50 nm. Đây là lần đầu tiên transistor 2D bổ trợ hiện diện ở kích thước này thông qua một quy trình tương thích với dây chuyền sản xuất công nghiệp hiện hành.
Vì sao ngành chip cần vật liệu mới thay thế silicon?
Hơn 50 năm qua, toàn bộ ngành công nghiệp chip vận hành theo Định luật Moore — không ngừng thu nhỏ bóng bán dẫn để nhét nhiều linh kiện hơn vào vi xử lý, từ đó giúp máy tính nhanh hơn, rẻ hơn và tiết kiệm điện hơn. Thế nhưng silicon, vật liệu nền tảng của chip hiện đại, đang chạm tới ranh giới vật lý. Khi transistor bị thu nhỏ tới mức quá giới hạn, dòng điện bắt đầu rò rỉ qua các rào cản phân cách, dẫn đến lãng phí năng lượng, phát sinh nhiệt và suy giảm hiệu suất tổng thể.
Ngành chip đã trì hoãn giới hạn này bằng các kiến trúc như FinFET hay Gate-All-Around (GAA), nhưng giới chuyên gia đều thống nhất rằng cần một loại vật liệu hoàn toàn mới để tiếp tục duy trì lộ trình thu nhỏ.
Vật liệu 2D — ứng cử viên sáng giá cho thế hệ chip tiếp theo
Vật liệu 2D nổi lên như một trong những giải pháp tiềm năng nhất. Khác với vật liệu 3D truyền thống, vật liệu 2D chỉ dày vài lớp nguyên tử. Chính nhờ độ mỏng tuyệt đối đó, chúng kiểm soát dòng điện đi qua transistor hiệu quả hơn nhiều, đồng thời triệt tiêu hiện tượng rò rỉ điện năng vốn là điểm yếu của silicon ở kích thước nhỏ.
Thách thức lớn nhất trong nhiều năm qua là đưa vật liệu này từ phòng thí nghiệm vào môi trường nhà máy đại trà. Tạo ra vài con chip thử nghiệm là một chuyện, còn sản xuất hàng tỷ transistor trên tấm wafer khổ lớn với tỷ lệ lỗi thấp lại là bài toán hoàn toàn khác.
Đột phá kỹ thuật: tỷ lệ hoạt động ổn định đạt 94% trên toàn tấm wafer
Đột phá của liên minh Imec, ASML và TSMC nằm ở chỗ họ đã tối ưu hóa được quy trình sản xuất đó. Bằng cách kết hợp công nghệ quang khắc EUV của ASML với kiến trúc bóng bán dẫn màng mỏng đảo ngược, nhóm nghiên cứu đã thu hẹp chiều dài kênh dẫn xuống còn 28 nm. Kết quả là tỷ lệ bóng bán dẫn vận hành ổn định trên toàn tấm wafer 300 mm đạt tới 94%.
Vai trò của từng thành viên trong liên minh
Thành công này càng có sức nặng hơn khi đến từ sự phối hợp của ba mắt xích then chốt trong chuỗi cung ứng bán dẫn toàn cầu. Imec đảm nhận vai trò nghiên cứu chuyên sâu, ASML cung cấp thiết bị sản xuất độc quyền, còn TSMC mang đến năng lực sản xuất quy mô lớn hàng đầu thế giới.
Sự góp mặt của ASML đảm bảo rằng loại transistor 2D mới hoàn toàn có thể chế tạo bằng máy quang khắc EUV hiện có. Điều đó có nghĩa các hãng chip lớn sẽ không phải đập đi xây lại những siêu nhà máy trị giá hàng chục tỷ USD chỉ để chuyển đổi công nghệ. Còn sự hiện diện của TSMC — xưởng đúc chip cho Apple, Nvidia, AMD... — là tín hiệu rõ ràng rằng công nghệ này mang tiềm năng thương mại hóa thực chất, không chỉ dừng lại trên giấy tờ.
Kỳ vọng cho kỷ nguyên AI và thiết bị thông minh
Sự bùng nổ của trí tuệ nhân tạo đang khiến các trung tâm dữ liệu tiêu thụ lượng điện khổng lồ. Ở phía người dùng cuối, các tính năng AI chạy trực tiếp trên thiết bị cũng đòi hỏi chip mạnh mẽ hơn và pin dung lượng lớn hơn. Bóng bán dẫn làm từ vật liệu 2D được kỳ vọng là chìa khóa cho bài toán này.
Với khả năng vận hành hiệu suất cao trong khi tiêu thụ ít năng lượng, công nghệ mới hứa hẹn mang lại những chiếc smartphone có thời lượng pin vượt trội, laptop mỏng nhẹ không cần quạt tản nhiệt và các hệ thống siêu máy tính AI xử lý dữ liệu với tốc độ ánh sáng.
Lộ trình thương mại hóa: sớm nhất vào những năm 2030
Dù vậy, việc thương mại hóa chip vật liệu 2D khó có thể diễn ra trong một vài năm tới. Trong ngành bán dẫn, hành trình từ giai đoạn tối ưu quy trình đến sản xuất hàng loạt thường kéo dài cả một thập kỷ. Giới chuyên gia dự báo những ứng dụng thương mại đầu tiên của chip vật liệu 2D sẽ xuất hiện sớm nhất vào những năm 2030, bắt đầu từ các hệ thống tính toán hiệu năng cao chuyên dụng trước khi lan rộng đến thiết bị di động phổ thông.
Cảm ơn bạn đã dành thời gian theo dõi bài viết. Nếu bạn quan tâm đến những tiến bộ mới nhất trong ngành công nghệ và bán dẫn, đừng bỏ lỡ các bài viết liên quan ngay bên dưới.
Ý kiến bạn đọc (0)