MỸ – Các nhà nghiên cứu tại viện công nghệ Massachusetts (MIT – Massachusetts institute of technology) đã phát triển một phương pháp chế tạo mới, hứa hẹn cho phép sản xuất các thiết bị điện tử tiết kiệm năng lượng hơn bằng cách xếp chồng nhiều thành phần chức năng (functional components) lên trên một mạch hiện có.

Trong các mạch truyền thống, những linh kiện logic thực hiện tính toán (như transistor) (*) và các thiết bị lưu trữ dữ liệu (như bộ nhớ) được chế tạo tách biệt. Điều này buộc dữ liệu phải di chuyển qua lại giữa các bộ phận, gây lãng phí năng lượng.
(*) Transistor: là một linh kiện bán dẫn cơ bản, đóng vai trò như công tắc hoặc bộ khuếch đại tín hiệu trong các mạch điện tử hiện đại.

Nền tảng tích hợp điện tử mới này cho phép các nhà khoa học chế tạo transistor và thiết bị nhớ trong một cấu trúc xếp chồng gọn nhẹ ngay trên một chip bán dẫn. Cách làm này giúp loại bỏ phần lớn năng lượng bị thất thoát, đồng thời tăng tốc độ tính toán.

Cốt lõi của đột phá này là một vật liệu mới được phát triển với các đặc tính độc đáo, cùng quy trình chế tạo chính xác hơn nhằm giảm số lượng khuyết tật trong vật liệu. Nhờ đó, các nhà nghiên cứu có thể tạo ra những transistor siêu nhỏ tích hợp sẵn bộ nhớ, hoạt động nhanh hơn các thiết bị tiên tiến hiện nay nhưng tiêu thụ ít điện năng hơn.

Việc cải thiện hiệu suất năng lượng của các thiết bị điện tử theo hướng này có thể góp phần giảm mức tiêu thụ điện đang gia tăng nhanh chóng của hoạt động tính toán, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu mức độ sử dụng năng lượng cao như AI tạo sinh (generative AI), học sâu (deep learning) và thị giác máy tính.

Tiến sĩ Yanjie Shao tại viện MIT và là tác giả chính của hai bài báo về các transistor mới, chia sẻ: “Chúng ta phải giảm thiểu năng lượng sử dụng cho công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI – aritificila intelligence) và các phép tính lấy dữ liệu làm trung tâm trong tương lai, bởi điều đó mang tính không bền vững. Chúng ta sẽ cần những công nghệ mới như nền tảng tích hợp này để tiếp tục phát triển.” 

Kỹ thuật mới được mô tả trong hai bài báo, trong đó có một bài được mời trình bày tại hội nghị về linh kiện và công nghệ bán dẫn (IEEE international electron devices meeting). Đồng tác giả cao cấp gồm Giáo sư Jesús del Alamo (Donner professor) và Giáo sư Dimitri Antoniadis (Ray and Maria Stata professor) thuộc khoa kỹ thuật điện và khoa học máy tính (EECS – electrical engineering and computer science) của viện MIT; cùng các nhà nghiên cứu khác đến từ viện MIT, đại học Waterloo (University of Waterloo) và tập đoàn Samsung Electronics.

Nhìn nhận vấn đề theo một cách hoàn toàn khác
Các chip bán dẫn oxit kim loại bổ sung CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) tiêu chuẩn truyền thống, bao gồm hai phần chính: phần đầu (front end), nơi chế tạo các linh kiện chủ động (active components) như bóng bán dẫn và tụ điện; và phần cuối (back end), bao gồm hệ thống dây dẫn liên kết và các mối nối kim loại giúp kết nối các linh kiện đó thành một mạch thống nhất.

Tuy nhiên, một phần năng lượng bị thất thoát khi dữ liệu di chuyển qua các mối nối này, và chỉ một sai lệch nhỏ cũng có thể làm suy giảm hiệu suất. Việc xếp chồng các linh kiện hoạt động sẽ rút ngắn quãng đường truyền dữ liệu và cải thiện hiệu suất năng lượng của chip.

Thông thường, việc xếp chồng transistor silicon trên một chip CMOS rất khó khăn, bởi nhiệt độ cao cần thiết để chế tạo thêm thiết bị ở phần front-end sẽ phá hủy các transistor đã có bên dưới.

Nhóm nghiên cứu tại viện MIT đã đảo ngược cách tiếp cận, phát triển một kỹ thuật tích hợp để xếp chồng các linh kiện hoạt động ở phần back-end của chip.

Tiến sĩ Shao chia sẻ: “Nếu có thể dùng nền tảng back-end này để bổ sung thêm các lớp transistor hoạt động, chứ không chỉ các liên kết, mật độ tích hợp của chip sẽ cao hơn nhiều và hiệu suất năng lượng cũng được cải thiện.”

Các nhà nghiên cứu đã đạt được điều này nhờ vào việc sử dụng một vật liệu mới (indium oxide vô định hình – amorphous indium oxide) làm lớp hoạt động của transistor back-end. Lớp hoạt động là nơi diễn ra các chức năng cốt lõi của transistor.

Nhờ vào các đặc tính riêng biệt của vật liệu indium oxide, nhóm nghiên cứu có thể “nuôi” một lớp vật liệu cực mỏng ở nhiệt độ chỉ khoảng 150°C trên phần back-end của mạch hiện có mà không làm hư hại các linh kiện ở phần front-end.

Hoàn thiện quy trình
Nhóm nghiên cứu đã tối ưu hóa cẩn thận quy trình chế tạo nhằm giảm số lượng khuyết tật trong lớp vật liệu indium oxide chỉ dày khoảng 2 nanomet.

Một số khuyết tật, được gọi là lỗ trống oxy (oxygen vacancies) (*), là cần thiết để transistor có thể bật (dẫn điện). Tuy nhiên, nếu có quá nhiều khuyết tật, transistor sẽ không hoạt động đúng cách. Quy trình tối ưu này cho phép chế tạo các transistor cực nhỏ, vận hành nhanh và ổn định, loại bỏ phần lớn năng lượng bổ sung cần thiết khi chuyển transistor giữa trạng thái bật và tắt.
(*) Oxygen vacancies: là những vị trí trong mạng tinh thể của vật liệu (thường là oxit kim loại) mà lẽ ra phải có nguyên tử oxy, nhưng lại bị thiếu. 

Dựa trên cách tiếp cận này, nhóm nghiên cứu cũng chế tạo các transistor back-end tích hợp bộ nhớ với kích thước chỉ khoảng 20 nanomet. Để làm được điều đó, họ bổ sung một lớp vật liệu gọi là hafnium-zirconium oxide sắt điện (ferroelectric hafnium-zirconium-oxide) làm thành phần lưu trữ.

Những transistor lưu trữ siêu nhỏ này cho thấy tốc độ chuyển mạch chỉ 10 nano giây (với 1 nano giây = 10-9 giây), chạm tới giới hạn của các thiết bị đo lường mà nhóm nghiên cứu sử dụng. Quá trình chuyển mạch này cũng yêu cầu điện áp thấp hơn nhiều so với các thiết bị tương tự, qua đó giảm mức tiêu thụ điện năng.

Ngoài ra, do các transistor lưu trữ có kích thước rất nhỏ, chúng có thể được dùng làm nền tảng để nghiên cứu vật lý cơ bản của từng đơn vị vật liệu hafnium-zirconium oxide sắt điện.

Tiến sĩ Shao chia sẻ: “Nếu chúng ta hiểu rõ hơn về tính chất vật lý của vật liệu này, chúng ta có thể ứng dụng nó vào nhiều lĩnh vực mới. Mức năng lượng tiêu thụ là rất thấp, và nó mang lại cho chúng ta nhiều sự linh hoạt trong thiết kế thiết bị. Điều này thực sự có thể mở ra nhiều hướng đi mới trong tương lai”.

Nhóm nghiên cứu cũng hợp tác với các nhà khoa học tại đại học Waterloo để xây dựng mô hình đánh giá hiệu suất của các transistor back-end, một bước quan trọng trước khi tích hợp các thiết bị này vào các mạch và hệ thống điện tử lớn hơn.

Trong thời gian tới, họ muốn tiếp tục phát triển bằng cách tích hợp các transistor lưu trữ back-end trên cùng một mạch, đồng thời nâng cao hiệu suất transistor và nghiên cứu cách kiểm soát chính xác hơn các đặc tính của vật liệu hafnium–zirconium oxide sắt điện.

Tiến sĩ Shao nói thêm: “Giờ đây, chúng tôi có thể xây dựng một nền tảng điện tử linh hoạt ở phần back-end của chip, cho phép đạt hiệu suất năng lượng cao và nhiều chức năng khác nhau trong những thiết bị rất nhỏ. Chúng tôi đã có kiến trúc thiết bị và vật liệu phù hợp, nhưng vẫn cần tiếp tục đổi mới để khám phá các giới hạn hiệu suất tối ưu”.

Để xem các tin bài khác về “Linh kiện điện tử”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online