ASML, TSMC và Imec chế tạo thành công bóng bán dẫn vật liệu 2D

ASML, TSMC và Imec chế tạo thành công bóng bán dẫn vật liệu 2D

Tại hội nghị về công nghệ và vi mạch VLSI 2026 tuần này ở Hawaii, Trung tâm nghiên cứu bán dẫn Imec (Bỉ), nhà sản xuất thiết bị quang khắc ASML (Hà Lan) và nhà sản xuất chip TSMC (Đài Loan) công bố quy trình sản xuất thương mại cho bóng bán dẫn sử dụng vật liệu 2D.

Ba ông lớn cho biết đã nghiên cứu và chế tạo thành công cả hai loại bóng bán dẫn (transistor) bổ trợ nFET và pFET trên cùng một tấm wafer đường kính 300 mm tiêu chuẩn, với khoảng cách giữa các cực cổng đạt mức siêu nhỏ 50 nm. Đây là lần đầu tiên transistor 2D bổ trợ đạt được kích thước này bằng quy trình tương thích với các nhà máy sản xuất chip công nghiệp hiện nay.

Theo Tom's Hardware, hơn 50 năm qua, ngành chip toàn cầu vận hành theo Định luật Moore, cố gắng thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn để nhồi nhét nhiều hơn vào vi xử lý, giúp máy tính hoạt động nhanh hơn, rẻ hơn và tiết kiệm điện hơn. Tuy nhiên, silicon - vật liệu nền tảng của chip xử lý hiện đại - đang chạm tới giới hạn vật lý. Khi transistor quá nhỏ, dòng điện bắt đầu rò rỉ qua các rào cản phân cách, gây lãng phí năng lượng, sinh nhiệt và làm giảm hiệu suất thiết bị. Ngành chip từng trì hoãn giới hạn này bằng các kiến trúc FinFET hay Gate-All-Around (GAA), nhưng giới chuyên gia đều cho rằng cần một loại vật liệu mới để tiếp tục lộ trình thu nhỏ chip.


Vật liệu 2D là một trong những ứng cử viên sáng giá. Khác với vật liệu 3D truyền thống, vật liệu 2D chỉ dày vài lớp nguyên tử. Nhờ độ mỏng tuyệt đối, chúng giúp kiểm soát dòng điện chạy qua transistor tốt hơn nhiều, triệt tiêu hiện tượng rò rỉ điện năng. Thử thách lớn nhất trong nhiều năm qua là đưa vật liệu 2D từ phòng thí nghiệm ra môi trường nhà máy. Việc tạo vài chip thử nghiệm rất khác với việc sản xuất hàng tỷ transistor trên tấm wafer lớn với tỷ lệ lỗi thấp.

Đột phá của liên minh Imec, ASML và TSMC là đã tối ưu hóa được quy trình đó. Bằng cách kết hợp công nghệ quang khắc EUVcủa ASML với kiến trúc bóng bán dẫn màng mỏng đảo ngược, họ thu hẹp chiều dài kênh dẫn xuống 28 nm. Kết quả, tỷ lệ bóng bán dẫn hoạt động ổn định đạt tới 94% trên toàn bộ tấm wafer 300 mm.

Thành công này gây tiếng vang cũng nhờ sự kết hợp từ ba đơn vị lớn trong chuỗi cung ứng bán dẫn toàn cầu. Trong đó, Imec nghiên cứu chuyên sâu, ASML cung cấp thiết bị sản xuất độc quyền còn TSMC có năng lực sản xuất quy mô lớn tốt nhất hiện nay.

Việc ASML tham gia đảm bảo rằng loại bóng bán dẫn 2D mới có thể chế tạo bằng chính máy quang khắc EUV hiện tại. Các hãng chip lớn sẽ không phải đập đi xây lại những siêu nhà máy trị giá hàng chục tỷ USD chỉ để đuổi theo công nghệ mới. Trong khi đó, sự hiện diện của TSMC, xưởng đúc chip cho Apple, Nvidia, AMD..., giúp khẳng định công nghệ có tiềm năng thương mại hóa thực tế rất lớn chứ không chỉ dừng trên giấy tờ.

Sự bùng nổ của trí tuệ nhân tạo đang khiến các trung tâm dữ liệu tiêu thụ lượng điện năng khổng lồ. Ở phía người dùng, các tính năng AI chạy trực tiếp trên thiết bị cũng đòi hỏi chip mạnh và pin lớn. Bóng bán dẫn vật liệu 2D được kỳ vọng là chìa khóa giải quyết bài toán. Với khả năng vận hành ở hiệu suất cao nhưng tiêu thụ ít năng lượng, công nghệ này hứa hẹn mang tới 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.

Tuy nhiên, việc thương mại hóa chip 2D khó diễn ra ngay trong một vài năm tới. Lộ trình từ tối ưu hóa quy trình đến sản xuất hàng loạt trong ngành bán dẫn thường kéo dài cả thập kỷ. Giới chuyên gia dự đoán, 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 phổ cập đến thiết bị di động phổ thông.

---

Nguồn: VnExpress Số hóa
Chuyên mục: AI