Giới hạn vật lý 70 năm bị phá vỡ: Trung Quốc chế tạo thành chip 1nm nhỏ nhất thế giới

Đại học Bắc Kinh vừa công bố một bước đột phá lịch sử trong công nghệ chip: tạo ra transistor – linh kiện cơ bản của mọi chip máy tính – nhỏ nhất và tiết kiệm điện nhất thế giới với kích thước chỉ 1nm. Để hình dung, 1 nanomet nhỏ đến mức hoàn toàn vô hình với mắt thường và ngay cả kính hiển vi quang học thông thường cũng không thể nhìn thấy.

Nhóm nghiên cứu do giáo sư Qiu Chenguang và Peng Lianmao dẫn đầu đã công bố kết quả trên tạp chí khoa học uy tín Science Advances. Đây không chỉ là thành tựu về kích thước, mà quan trọng hơn là giải quyết được bài toán nan giải kéo dài hàng chục năm của ngành công nghiệp chip.

Vấn đề mà các nhà khoa học trên toàn thế giới – từ Trung Quốc, Nhật Bản đến phương Tây – đều gặp phải là: tuy có thể thu nhỏ linh kiện xuống rất nhỏ, nhưng để hoạt động được thì chúng cần điện áp rất cao, thường trên 1,5V. Điện áp cao này không tương thích với các nhân logic của chip, gây ra lãng phí điện năng và độ trễ trong xử lý dữ liệu.

Các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Bắc Kinh đã tìm ra giải pháp sáng tạo. Họ sử dụng một loại vật liệu đặc biệt gọi là ống nano carbon kim loại để làm cổng điều khiển. Khi thu nhỏ cổng này xuống kích thước cực nhỏ, nó tạo ra hiệu ứng tập trung điện trường – giống như khi bạn tập trung ánh sáng qua kính lúp, độ mạnh của điện trường tại một điểm nhỏ bé sẽ tăng lên rất nhiều.

Nhờ đó, transistor mới chỉ cần điện áp 0,6V để hoạt động – thấp hơn gần 3 lần so với trước đây. Đây là lần đầu tiên trong lịch sử có bóng bán dẫn loại này hoạt động được ở mức điện áp tương thích với các bộ phận xử lý chính của chip. Điều này giải quyết bài toán đánh đổi giữa kích thước nhỏ và điện áp thấp mà ngành công nghiệp đã vật lộn suốt 70 năm qua.

Về hiệu suất, con số càng ấn tượng hơn. Transistor mới tiêu thụ điện năng chỉ 0,45 femtojoule trên micromet – con số này vượt trội hơn các kết quả quốc tế được công bố trước đó tới 10 lần. Tốc độ xử lý cũng cực nhanh, chỉ mất 1,6 nanogiây (1,6 tỷ phần của một giây) để thực hiện một lệnh.

Điều đặc biệt là khi thu nhỏ linh kiện xuống càng nhỏ, hiệu quả càng tăng – ngược lại với quy luật thông thường. Khi độ dài cổng co xuống tới giới hạn 1nm, hiệu ứng tập trung điện trường càng mạnh, khiến linh kiện hoạt động càng tốt hơn. Đây là một khám phá quan trọng cho công nghệ chip tương lai.

Bước tiến này mở ra triển vọng lớn cho thế hệ chip AI mới. Loại transistor này có khả năng vừa lưu trữ dữ liệu vừa tính toán ngay tại chỗ, thay vì phải di chuyển dữ liệu qua lại giữa bộ nhớ và bộ xử lý như hiện nay. Điều này giúp giải quyết “bức tường bộ nhớ” – rào cản lớn nhất đang kìm hãm sự phát triển của chip AI hiện đại.

Bối cảnh của thành tựu này cũng đáng chú ý. Năm 2022, Mỹ đã áp đặt lệnh cấm ngăn các công ty trên thế giới bán thiết bị sản xuất chip cao cấp cho Trung Quốc. Thay vì bị kìm hãm, Trung Quốc đã tăng cường đầu tư nghiên cứu và phát triển các giải pháp công nghệ của riêng mình. Trong khi các công ty như Nvidia vẫn thống trị thị trường chip cao cấp, Trung Quốc đang từng bước phát triển các công nghệ thay thế và đạt được những đột phá như thế này.

Theo Trendforce – một trang web chuyên về công nghệ, đây là “transistor lưu trữ điện nhỏ nhất và tiết kiệm năng lượng nhất được báo cáo trên toàn cầu”. Thành tựu này không chỉ phá vỡ giới hạn vật lý mà còn mở ra kỷ nguyên mới cho công nghệ chip, đặc biệt là chip AI thế hệ tiếp theo với khả năng xử lý mạnh mẽ hơn nhiều nhưng tiêu thụ điện năng thấp hơn.