Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Bắc Kinh vừa tuyên bố đã tạo ra bước đột phá trong công nghệ chip, có khả năng định hình lại cuộc đua bán dẫn toàn cầu. Nhóm này đã phát triển thành công transistor 2D mới sử dụng bismuth thay vì silicon truyền thống, mở ra một kỷ nguyên mới cho ngành công nghiệp bán dẫn.
Theo thông báo chính thức được đăng trên trang web của Đại học Bắc Kinh vào tuần trước, transistor mới này nhanh hơn 40% so với chip silicon 3-nanomet mới nhất từ Intel và TSMC, đồng thời tiêu thụ ít năng lượng hơn 10%. "Đây là transistor nhanh nhất, hiệu quả nhất từ trước đến nay," thông báo cho biết.
Nhóm nghiên cứu do Giáo sư hóa lý Peng Hailin dẫn đầu tin rằng phương pháp tiếp cận của họ đại diện cho một sự thay đổi cơ bản trong công nghệ bán dẫn. "Nếu các đổi mới chip dựa trên vật liệu hiện có được coi là 'đường tắt', thì việc chúng tôi phát triển transistor dựa trên vật liệu 2D giống như việc 'đổi làn đường' hoàn toàn," Giáo sư Peng nói.
Thay vì dùng bán dẫn silicon thông thường, chip mới của Trung Quốc dùng bán dẫn gốc bismuth
Đột phá của nhóm nghiên cứu Trung Quốc xoay quanh transistor gốc bismuth vượt trội hơn các chip thương mại tiên tiến nhất từ Intel, TSMC, Samsung và Trung tâm Vi điện tử Liên trường đại học của Bỉ. Khác với transistor truyền thống dựa trên silicon - vốn gặp khó khăn với việc thu nhỏ kích thước và hiệu quả năng lượng ở quy mô cực nhỏ - thiết kế mới này mang đến giải pháp không có những hạn chế đó.
Theo giáo sư Peng, mặc dù các lệnh trừng phạt do Mỹ dẫn đầu đã hạn chế khả năng tiếp cận của Trung Quốc với các transistor dựa trên silicon tiên tiến nhất, những hạn chế này cũng đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu Trung Quốc khám phá các giải pháp thay thế. "Mặc dù con đường này sinh ra từ sự cần thiết do các lệnh trừng phạt hiện tại, nhưng nó cũng buộc các nhà nghiên cứu tìm giải pháp từ những góc nhìn mới," ông nói thêm.
Nghiên cứu mô tả cách nhóm phát triển transistor hiệu ứng trường cổng xung quanh (GAAFET) sử dụng vật liệu gốc bismuth. Thiết kế này khác biệt đáng kể so với cấu trúc Transistor Hiệu ứng Trường Fin (FinFET), vốn là tiêu chuẩn công nghiệp kể từ khi Intel thương mại hóa nó vào năm 2011.
Những hạn chế của chip dựa trên silicon ngày càng rõ ràng khi ngành công nghiệp cố gắng đẩy mật độ tích hợp vượt quá 3 nanomet. Cấu trúc GAAFET mới loại bỏ nhu cầu về "fin" được sử dụng trong thiết kế FinFET, tăng diện tích tiếp xúc giữa cổng và kênh. Các nhà nghiên cứu so sánh sự thay đổi này với việc chuyển từ các tòa nhà cao tầng sang cầu nối, giúp điện tử di chuyển dễ dàng hơn.
Loại chip sử dụng chất liệu mới hứa hẹn mang lại nhiều ưu điểm hơn so với chất silicon thông thường
Để tối ưu hóa hiệu suất hơn nữa, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang vật liệu bán dẫn 2D. Những vật liệu này có độ dày nguyên tử đồng nhất và tính linh động cao hơn so với silicon, làm cho chúng trở thành một lựa chọn thay thế khả thi cho chip thế hệ tiếp theo. Tuy nhiên, những nỗ lực trước đây để sử dụng vật liệu 2D trong transistor đã gặp phải những thách thức về cấu trúc hạn chế hiệu quả của chúng.
Nhóm Đại học Bắc Kinh đã vượt qua những trở ngại này bằng cách tự phát triển vật liệu gốc bismuth, cụ thể là Bi2O2Se và Bi2SeO5, lần lượt đóng vai trò là vật liệu bán dẫn và vật liệu oxit điện môi cao. Hằng số điện môi cao của những vật liệu này giúp giảm mất năng lượng, giảm thiểu yêu cầu điện áp và tăng cường sức mạnh tính toán đồng thời cắt giảm tiêu thụ năng lượng.
Các nhà nghiên cứu đã chế tạo các transistor thực nghiệm của họ bằng nền tảng xử lý chính xác cao của Đại học Bắc Kinh. Kết quả đã được xác nhận bằng tính toán lý thuyết hàm mật độ (DFT), xác nhận rằng giao diện vật liệu Bi2O2Se/Bi2SeO5 có ít khuyết tật hơn và dòng điện tử mượt mà hơn so với các giao diện bán dẫn-oxit hiện có.
"Điều này làm giảm sự tán xạ điện tử và mất dòng điện, cho phép điện tử chảy hầu như không có điện trở, tương tự như nước di chuyển qua một đường ống trơn tru," Giáo sư Peng giải thích.
Với transistor dựa trên công nghệ này có khả năng chạy nhanh hơn 1,4 lần so với chip dựa trên silicon tiên tiến nhất ở mức 90% mức tiêu thụ năng lượng của chúng, nhóm Đại học Bắc Kinh hiện đang nỗ lực mở rộng quy mô sản xuất. Họ đã xây dựng các đơn vị logic nhỏ sử dụng transistor mới, thể hiện độ tăng điện áp cao ở điện áp hoạt động cực thấp.
"Công trình này chứng minh rằng GAAFET 2D thực sự thể hiện hiệu suất và hiệu quả năng lượng tương đương với transistor thương mại dựa trên silicon, khiến chúng trở thành ứng cử viên đầy hứa hẹn cho nút công nghệ tiếp theo," Peng viết trong bài báo nghiên cứu.
Đột phá này có thể là một bước ngoặt đối với ngành công nghiệp bán dẫn Trung Quốc, vốn đang phải đối mặt với các lệnh trừng phạt quốc tế và hạn chế tiếp cận công nghệ chip tiên tiến. Thay vì cố gắng bắt kịp trong cuộc đua miniaturization chip silicon, các nhà nghiên cứu Trung Quốc dường như đang tạo ra một con đường công nghệ hoàn toàn mới có thể cho phép đất nước này vượt qua những thách thức của ngành sản xuất chip dựa trên silicon.
Nếu công nghệ này được thương mại hóa thành công, nó không chỉ có thể thay đổi vị thế của Trung Quốc trong ngành công nghiệp bán dẫn toàn cầu mà còn có thể báo hiệu một kỷ nguyên mới của thiết kế chip, nơi silicon không còn là vật liệu chính cho các bộ xử lý tiên tiến.
Nguyễn Hải