1. Sự xuất hiện của bóng bán dẫn nhiệt

Một bóng bán dẫn nhiệt mang tính cách mạng được phát triển bởi một nhóm nghiên cứu tại Đại học California, Los Angeles (UCLA), đã đạt được những tiến bộ công nghệ mang tính đột phá. Nó có tiềm năng vô song trong thiết kế cấp nguyên tử và kỹ thuật phân tử để quản lý nhiệt của chip máy tính.

Loại bóng bán dẫn nhiệt hoàn toàn rắn mới này sử dụng hiệu ứng điện trường để điều khiển chính xác chuyển động nhiệt trong các thành phần bán dẫn. Nó có tiềm năng vô song trong thiết kế cấp nguyên tử và kỹ thuật phân tử để quản lý nhiệt của chip máy tính, đồng thời thể hiện khả năng tương thích tuyệt vời với các quy trình sản xuất chất bán dẫn hiện tại.

Bóng bán dẫn này đã đạt được tốc độ chuyển mạch kỷ lục vượt quá 1 terahertz và có khả năng điều chỉnh độ dẫn nhiệt 1300%, vượt qua các giới hạn trước đây trong điều chế độ dẫn nhiệt.

Để xác nhận công nghệ này, các giao diện phân tử tự lắp ráp đã được sử dụng để điều chỉnh chính xác điện trở nhiệt thông qua điện trường, thể hiện khả năng kiểm soát chuyển động của nhiệt.

Sự đổi mới công nghệ có thể mở rộng này không chỉ đánh dấu bước nhảy vọt đáng kể trong sản xuất và hiệu suất chip mà còn hứa hẹn thúc đẩy quản lý nhiệt ở cấp độ phân tử, có khả năng mở rộng sang lĩnh vực tế bào sống.

Hỗ trợ kỹ thuật được cung cấp bởi Cơ sở nghiên cứu điện tử nano UCLA và CNSI, với các nguồn thông tin từ bộ phận Giáo dục và Nghiên cứu Kỹ thuật số của Thư viện UCLA và Hệ sinh thái Điều phối Cơ sở hạ tầng Mạng Tiên tiến của Viện Nghiên cứu và Giáo dục Kỹ thuật số.

2. Nâng cấp lên Máy in thạch bản EUV của ASML

Vào năm 2023, ASML đã giao máy quét EUV High-NA đầu tiên, Twinscan EXE:5000, cho Intel. Quá trình hợp tác phát triển chiếc máy này bắt đầu vào năm 2018. Intel có kế hoạch triển khai Twinscan EXE:5200 cấp thương mại để sản xuất số lượng lớn vào năm 2025.

Thấu kính 0.55 NA của máy quét EUV High-NA đảm bảo độ phân giải 8nm, điều này rất quan trọng để sản xuất chip tiên tiến ở quy trình 3nm trở lên. Là công ty đầu tiên áp dụng thiết bị tiên tiến này, Intel có được lợi thế chiến lược trong việc thiết lập các tiêu chuẩn ngành, có khả năng vượt qua các đối thủ Samsung và TSMC trong tương lai.

Máy quét High-NA có các khả năng độc đáo, với kích thước chùm tia một lần nữa giảm đi một nửa, đòi hỏi phải đầu tư cơ sở hạ tầng đáng kể. Việc Intel sớm áp dụng công nghệ mới nhất này là bước chuẩn bị quan trọng cho việc triển khai các kỹ thuật sản xuất tiên tiến hơn. ASML đã cam kết sản xuất 20 máy quét EUV NA cao hàng năm vào năm 2027-2028, định vị công nghệ này là nền tảng cho những tiến bộ trong tương lai. Intel đặt mục tiêu trở thành người dẫn đầu ngành.

3. Chip được thiết kế bằng AI

Một bài báo nghiên cứu gây tranh cãi do Google xuất bản khẳng định những tiến bộ đáng kể trong trí tuệ nhân tạo dành cho thiết kế chip, gây ra làn sóng chấn động trong ngành.

Google tuyên bố rằng công nghệ trí tuệ nhân tạo của họ đã đẩy nhanh quá trình lập kế hoạch bố trí các đơn vị xử lý cơ bản của chip AI, hoàn thành nhiệm vụ trong vòng chưa đầy sáu giờ, vượt xa khả năng của các chuyên gia con người.

Chip TPU v5 đã gây ra tranh cãi. Google tuyên bố mục đích của họ không phải là thay thế các nhà thiết kế con người mà là để chứng minh rằng AI có thể cộng tác trong quá trình thiết kế chip. (Người Mỹ cũng lo lắng về việc AI sẽ cướp đi công việc của họ và Google cho biết họ chỉ đang thử nghiệm chứ không thực sự sử dụng nó. Bạn có tin họ không?)

Bất chấp sự hoài nghi từ các nhà nghiên cứu ngang hàng về tính xác thực của nghiên cứu này và những thách thức còn tồn tại, nó vẫn đóng một vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy đổi mới công nghệ. Một khi công nghệ trưởng thành, bối cảnh của ngành thiết kế chip sẽ có sự chuyển đổi lớn.

4. Công nghệ cấp nguồn ngược cho chip

Intel đang thận trọng giới thiệu một công nghệ mới, PowerVia, cùng với việc ra mắt RibbonFET. PowerVia sử dụng khả năng phân phối điện từ mặt sau bằng cách đặt các kết nối nguồn ở dưới cùng của silicon, giúp tăng tần số 6%, thiết kế nhỏ gọn hơn và giảm 30% mức tiêu tán điện năng.

Các thử nghiệm chỉ ra rằng chi phí không tăng và độ tin cậy không giảm. Quá trình sản xuất bao gồm quy mô nano thông qua khoan (TSV), liên kết các tấm nền mang và thiết lập các kết nối nguồn ở dưới cùng của chip. Bất chấp sự phức tạp tăng thêm, Intel đã tiết kiệm được chi phí bằng cách tối ưu hóa lớp M0 mà không cần kết nối nguồn.

PowerVia đã được tích hợp thành công vào quy trình sản xuất của Intel, mở đường cho nút 20A với bóng bán dẫn RibbonFET vào năm 2024. Sự tiến bộ này giúp Intel có khả năng vượt qua các đối thủ cạnh tranh như TSMC và Samsung về bóng bán dẫn nanosheet và khả năng cung cấp năng lượng mặt sau.

5. Chip tích hợp Laser

Mạch tích hợp quang tử (PIC) đã được ứng dụng rộng rãi trong các bộ thu phát quang tốc độ cao và các ứng dụng như LIDAR. Tuy nhiên, việc tích hợp tia laser vào chip quang tử silicon vẫn là một thách thức đáng kể do hiệu suất phát xạ hạn chế của silicon. Trung tâm nghiên cứu điện tử nano của Bỉ, Imec, dẫn đầu nỗ lực nghiên cứu này. Trong một quy trình được gọi là liên kết chip lật, khuôn laser được căn chỉnh chính xác với độ chính xác dưới micron, được truyền và liên kết trên các tấm bán dẫn quang tử silicon.

Quá trình quang tử silicon ở cấp độ wafer đã đạt được hiệu suất ghép lên tới 80%, với một số ví dụ ứng dụng đạt mức thỏa đáng là 60%. Điều này chứng tỏ tính hiệu quả của phương pháp này.

Có nhiều phương pháp khác nhau để chuyển khuôn laser. Một cách tiếp cận là in chuyển vi mô, sử dụng chất kết dính hoặc liên kết phân tử để lắp ráp và ghép nối nhanh chóng. Phương pháp này có giá trị cao trong các tình huống thông lượng cao, trong đó cần tích hợp một số lượng lớn thành phần III-V. Liên kết wafer là một kỹ thuật khác để liên kết vật liệu III-V với các tấm silicon, cho phép xử lý song song nhiều thiết bị và mang lại hiệu quả cao hơn cho giao diện quang học.

Công nghệ của Imec là sự tích hợp nguyên khối, còn được gọi là Nano Ridge Engineering (NRE), thể hiện một phương pháp tiếp cận tiên tiến. Phương pháp này sử dụng việc giam giữ rãnh để hạn chế các khuyết tật, nhằm đạt được sự phát triển không có khuyết tật của vật liệu III-V trên silicon.

Công nghệ NRE của Imec cho phép sản xuất điốt quang dựa trên GaAs chất lượng cao trên dây chuyền sản xuất silicon 300mm.

Quá trình xử lý chip lật mang lại sự đơn giản và linh hoạt, nhưng tính chất tuần tự của nó làm hạn chế hiệu quả sản xuất. Ngược lại, in chuyển vi mô và liên kết tấm bán dẫn, mặc dù yêu cầu chi phí cao hơn, nhưng lại cho thấy thông lượng cao hơn và tiềm năng chi phí thấp hơn trong các ứng dụng yêu cầu nhiều tia laser trên mỗi IC photon. Tích hợp nguyên khối, đặc biệt là NRE, đưa ra một hướng đi đầy hứa hẹn bằng cách giải quyết thách thức cơ bản về sự tăng trưởng không có khuyết tật trực tiếp trên silicon đối với các thành phần cơ bản. Với sự phổ biến và tiến bộ của quá trình này, nó sẵn sàng phục vụ tốt hơn các nhu cầu ứng dụng khác nhau trong lĩnh vực quang tử silicon.

6. Phản ứng tổng hợp Photon

Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Congreve của Đại học Stanford đang đi tiên phong trong công nghệ quang điện, tập trung vào chuyển đổi tần số, chuyển đổi hai photon năng lượng thấp thành một photon năng lượng cao. Sử dụng phương pháp hủy diệt bộ ba và tận dụng các đặc tính nhạy cảm bộ ba của các kim loại nặng như palladi, iridium hoặc bạch kim, cùng với các vật liệu dễ bị kích thích như rubrene, nhóm nghiên cứu đã đạt được thành công sự phát xạ photon năng lượng cao hiệu quả.

Quá trình này chuyển đổi bước sóng ánh sáng thành bước sóng có thể được hấp thụ bởi pin mặt trời silicon, về cơ bản làm thay đổi màu sắc của ánh sáng (công nghệ thay đổi màu sắc). Kỹ thuật này đã được áp dụng để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời, có khả năng tăng hiệu suất lên 15-20%.

Ngoài ra, các thí nghiệm nghiên cứu đã chứng minh khả năng in 3D với công nghệ đảo ngược, cho phép xử lý nhựa chính xác tại các điểm cụ thể bằng cách sử dụng tia laser công suất thấp. Điều này mang lại những khả năng mới cho sản xuất bồi đắp. Những tia laser công suất thấp này có thể in song song các vật thể ở cấp độ nano một cách nhanh chóng, khắc phục những hạn chế hiện tại về độ chính xác của việc in.

Công nghệ biến đổi này không chỉ giải quyết các thách thức về năng lượng mặt trời và in 3D mà còn hứa hẹn cho nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm chụp ảnh mô sâu, di truyền quang học, hệ thống nhìn đêm và giải pháp chống hàng giả. Các nhà nghiên cứu đã khám phá ứng dụng công nghệ chuyển đổi tần số ánh sáng cận hồng ngoại để chụp ảnh mô sâu, di truyền quang học và các ứng dụng phản ứng hóa học cục bộ trong các mô sống.

Công việc của Phòng thí nghiệm Congreve chứng minh tiềm năng đa dạng và biến đổi của công nghệ chuyển đổi tần số trong các ngành khác nhau, đánh dấu sự khởi đầu của các ứng dụng tiềm năng của nó.

7. Máy gia tốc điện tử quy mô chip

Các nhà vật lý tại Đại học Erlangen-Nuremberg đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong máy gia tốc electron cỡ chip. Nhóm nghiên cứu đã chế tạo một máy gia tốc trên chip bằng vật liệu điện môi, tạo ra một kênh rộng 225 nanomet, dài 0.5 mm. Bằng cách sử dụng các xung laser hồng ngoại được tính giờ chính xác và 733 cột silicon, mỗi cột cao 2 micromet, họ có thể tăng năng lượng điện tử lên 43% một cách ấn tượng.

Điều này thể hiện một bước nhảy vọt đáng kể trong lĩnh vực vật lý máy gia tốc. Máy gia tốc điện tử nano-photonic có thể được chế tạo bằng cách sử dụng các kỹ thuật phòng sạch tiêu chuẩn, chẳng hạn như quang khắc chùm tia điện tử. Các nhà nghiên cứu đặt mục tiêu phát triển các máy gia tốc nhỏ gọn để khám phá các ứng dụng trong nguồn sáng synchrotron, laser điện tử tự do và tìm kiếm vật chất tối nhẹ.

8. Vật liệu mới cho chất bán dẫn tốc độ cao

Các nhà khoa học đã phát hiện ra thứ được cho là vật liệu bán dẫn nhanh nhất và hiệu quả nhất cho đến nay, Re6Se8Cl2. Vật liệu này bao gồm rheni, selen và clo, tạo thành các cụm được gọi là “siêu nguyên tử”. Những siêu nguyên tử này tạo ra một cấu trúc độc đáo trong đó các exciton liên kết (cặp lỗ electron) tương tác với các phonon thay vì trạng thái tán xạ, tạo ra các giả hạt mới gọi là exciton-polalon âm thanh.

Dưới đây là một số đặc điểm chính của siêu bán dẫn mới lạ này:

★ Re6Se8Cl2 thể hiện chuyển động kích thích đạn đạo liên tục ở nhiệt độ phòng, với tốc độ chuyển động của các cực âm exciton gấp đôi tốc độ chuyển động của các electron trong silicon.

★ Không giống như các chất bán dẫn truyền thống nơi các electron phân tán trên khoảng cách ngắn, các phân cực exiton trong Re6Se8Cl2 đi qua vài micromet trong vòng nano giây, thể hiện hiệu suất tốc độ vượt trội.

★ Chất bán dẫn này hoạt động dựa trên điều khiển ánh sáng chứ không phải dòng điện, đạt tốc độ xử lý trong phạm vi femto giây, nhanh hơn đáng kể so với các thiết bị điện tử phạm vi gigahertz hiện có.

★ Re6Se8Cl2 là vật liệu van der Waals và là một phần của họ chất bán dẫn siêu nguyên tử. Tuy nhiên, rheni là nguyên tố hiếm nên các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm vật liệu thay thế có đặc tính tương tự.

★ Exciton-Polaron âm học cung cấp một phương pháp mới để đạt được sự truyền năng lượng tầm xa trong các vật liệu độc đáo, mở rộng ứng dụng của chúng ra ngoài phạm vi sử dụng chất bán dẫn truyền thống.

★ Việc sử dụng các kích thích thay vì điện tử có thể đóng vai trò là bộ tách sóng quang hiệu quả hoặc tìm ra các ứng dụng trong điện toán để nâng cao hiệu quả và hiệu suất năng lượng. Các thiết bị tiềm năng bao gồm "bóng bán dẫn đạn đạo".

Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng mặc dù các chất kích thích mang thông tin và năng lượng giống như electron nhưng chúng có thể không tương thích trực tiếp với phần cứng công nghiệp bán dẫn hiện tại. Những phát hiện này mở ra những con đường mới cho việc thiết kế các thiết bị bán dẫn tiên tiến với những chức năng độc đáo.

Ở đây có nhiều khái niệm mới nên xin bổ sung thêm một số giải thích:

Exciton

Exciton là một giả hạt được sử dụng trong vật lý chất rắn để mô tả một hệ thống trong đó một electron và một lỗ trống (một chỗ trống tích điện dương) tương tác thông qua lực Coulomb trong một vật liệu tinh thể.

phonon

Phonon là đơn vị lượng tử hóa của các dao động mạng, đại diện cho lượng tử năng lượng nhỏ nhất liên quan đến một dạng dao động bình thường trong mạng tinh thể, như được mô tả trong cơ học lượng tử.

Siêu nguyên tử

Siêu nguyên tử là các đơn vị cấu trúc ổn định bao gồm một số nguyên tử có tính chất tương tự như các nguyên tử đơn lẻ. Tính chất vật lý và hóa học của chúng thay đổi tùy theo số lượng nguyên tử cấu thành, cấu trúc và thành phần của chúng.

Giả hạt

Một giả hạt là một trạng thái giống hạt mới hình thành tạm thời trong những điều kiện cụ thể do tương tác, thể hiện các đặc tính tập thể khác biệt với các hạt cơ bản thông thường. Ví dụ, trong chất siêu dẫn, sự tương tác giữa electron và phonon có thể tạo thành các cặp Cooper, là các boson tích điện hoạt động tương tự như các electron thông thường bên trong chất siêu dẫn. Vì vậy, các cặp Cooper có thể được coi là các giả hạt.

9. Các vấn đề về tính bền vững trong chất bán dẫn: Gallium Nitride so với Silicon Carbide

Do những ưu điểm của chất bán dẫn Gallium Nitride (GaN) và Silicon Carbide (SiC) so với công nghệ silicon truyền thống, lĩnh vực điện tử công suất đang trải qua một sự chuyển đổi đáng kể. Khoảng năm 2001, chất bán dẫn hỗn hợp dựa trên GaN đã tạo ra một sự thay đổi mang tính cách mạng trong ngành chiếu sáng, nhanh chóng chiếm được hơn 50% thị trường chiếu sáng LED dựa trên GaN toàn cầu. Sự thay đổi này không chỉ giảm mức tiêu thụ điện chiếu sáng từ 30% đến 40% mà còn đặt nền tảng cho những thay đổi mang tính cách mạng rộng lớn hơn trong lĩnh vực điện tử công suất. GaN và SiC đang góp phần đáng kể vào việc thay thế silicon trong các ứng dụng điện tử công suất quan trọng nhờ hiệu suất và chức năng vượt trội của chúng. Những vật liệu này làm giảm lãng phí năng lượng và mang lại lợi ích đáng kể cho môi trường.

Những tiến bộ công nghệ mới này, đồng thời định hình ngành công nghiệp bán dẫn, cũng nêu bật quỹ đạo phát triển của ngành này trong những năm tới. Khi ranh giới của công nghệ liên tục bị đẩy lên, hằng số duy nhất là sự đổi mới không ngừng.