Chip điện tử (Electronics Chip) còn được gọi là mạch tích hợp (Integrated Circuit - IC) là phát minh vĩ đại và quan trọng bậc nhất của thế kỷ 20. Nó đã làm thay đổi hoàn toàn công nghệ của thế giới và mở ra giai đoạn phát triển thần tốc của kỹ thuật số. Nhưng, công nghệ nào cũng sẽ chững lại và có khả năng bị thay thế bởi những công nghệ mới khác.
Chip điện tử là gì?
Ngày nay, chip điện tử hiện diện khắp nơi trong các dụng cụ, thiết bị điện tử: xe hơi, điện thoại, truyền hình viễn thông, công nghiệp quốc phòng… và kể cả trí tuệ nhân tạo. Chúng trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống của con người ngày nay. Thiếu chúng, hầu hết các thiết bị điện tử sẽ không thể phát huy các chức năng phong phú như hiện tại.
Tại Việt Nam, chip điện tử được áp dụng trong cả thẻ căn cước công dân (cccd). Thời gian sắp tới, thẻ chip điện tử mới này sẽ dần thay thế hoàn toàn thẻ từ cũ; từ thẻ căn cước cho đến các loại thẻ ngân hàng.
Chip điện tử hoạt động như thế nào?
Với tác động không nhỏ của sự phát triển công nghệ toàn cầu, chip điện tử ngày nay có thể làm tất cả mọi việc. Chúng vốn là tập các mạch điện chứa các linh kiện bán dẫn và linh kiện điện tử thụ động (như điện trở), chúng được kết nối với nhau, để thực hiện được một chức năng xác định. Có thể nói, chỉ cần được nhập mã lệnh, chip điện tử liền có thể hoàn thành.
Trong máy tính, chip là một bộ phận hoạt động như trung tâm truyền thông và điều khiển lưu lượng của bo mạch chủ. Chúng xác định các thành phần tương thích với bo mạch chủ bao gồm CPU; RAM; ổ cứng và card đồ họa.
Chưa dừng lại ở đó, chip điện tử cũng chỉ ra các lựa chọn mở rộng phần cứng trong tương lai của thiết bị. Ngày nay, chip điện tử cũng là một thành phần quyết định sức mạnh của các hệ thống smart như trí tuệ nhân tạo, smartphone, smartTV...
Khoa học công nghệ trước khi có chip điện tử
Trong lịch sử, người ta phải dùng bóng chân không (vacuum tube) trong các thiết bị điện tử. Nhưng chúng cực kì dễ hư hỏng và phát ra quá nhiều nhiệt. Nên những chiếc máy tính ở thập niên 50, 60 rất to, cồng kềnh và cực kỳ tốn điện.
Đỉnh cao của công nghệ bóng chân không là chiếc máy tính kỹ thuật số đầu tiên ENIAC - được chế tạo vào năm 1946. ENIAC là một cỗ máy khổng lồ nặng hơn 30 tấn, cao hơn 3 mét và chứa khoảng 100.000 bộ phận, trong đó có 18.000 bóng chân không.
-
- Hình ảnh bóng chân không thập niên 50 thế kỷ 20. (Ảnh: arduino)
ENIAC tiêu thụ lượng điện năng khổng lồ lên đến 200kWh - người ta truyền tai nhau rằng khi ENIAC khởi động, tất cả bóng đèn ở bờ tây thành phố Philadelphia đều trở nên leo lét. Một nhược điểm lớn của thiết bị này là cứ vài ngày lại có một bóng đèn bị hỏng và phải thay, khiến chi phí vận hành trở nên vô cùng tốn kém.
Lịch sử ra đời của chip điện tử
Dần dần, các nhà khoa học bắt đầu tìm cách phát minh một linh kiện “hấp dẫn” hơn. Năm 1947, John Bardeen, Walter Brattain và William Shockley tại Bell Labs sáng chế ra một loại linh kiện bán dẫn để thay thế bóng chân không. Cũng chính nhờ phát minh này, cả ba nhà khoa học đã nhận được giải Nobel Vật Lý năm 1956.
Chúng được làm từ chất bán dẫn, không dẫn điện mà cũng chẳng cách điện. Chúng vừa có tác dụng ngắt điện, vừa có thể khởi động bằng tín hiệu điện. Vì điện ở đầu ra cao hơn điện ở đầu vào, linh kiện bán dẫn cũng có thể dùng làm mạch khuếch đại.
Vào mùa hè năm 1958, kỹ sư Jack Kilby từ hãng Texas Instruments đã tìm cách kết hợp một bóng bán dẫn, tụ điện và 3 điện trở trên một khối duy nhất làm bằng germani. Ông đã giới thiệu với cấp trên mô hình "mạch tích hợp" đầu tiên - dài hơn 1cm và còn rất thô sơ và hoạt động rất tốt.
Sáu tháng sau tại California, một kỹ sư người Mỹ khác là Robert Noyce cũng độc lập công bố ý tưởng chế tạo mạch tích hợp. Noyce sử dụng thủy tinh làm vật liệu cách điện và dùng nhôm kết nối các transistor làm bằng silicon. Chip của Noyce phù hợp hơn cho sản xuất số lượng lớn.
-
- Ông Jack Kilby (áo trắng ở giữa) cùng các đồng nghiệp, người sáng chế ra chip điện tử (mạch tích hợp) đầu tiên. (Ảnh: Wikimedia)
Sự xuất hiện của transistor
Mặc dù chip điện tử đầu tiên còn thô sơ và có nhiều thiếu sót, nhưng đó là một sáng kiến đột phá. Chúng giúp toàn thể diện tích mạch thu gọn đáng kể, tạo ra được những mạch tích hợp tự động với giá thành thấp hơn.
Transistor (bóng bán dẫn) là loại linh kiện bán dẫn chủ động được sử dụng như một phần tử khuếch đại hoặc một khóa điện tử. Transistor ra đời và cải thiện đáng kể năng lượng cần thiết để vận hành các mạch điện tử. Tuy nhiên một bảng mạch vẫn phải được tạo thành từ các transistor riêng lẻ cùng các thành phần như điện trở và tụ điện được nối với nhau bằng dây dẫn và hợp kim hàn. Một liên kết duy nhất bị lỗi cũng đồng nghĩa cả mạch không thể hoạt động.
Cuối cùng, quan trọng nhất, chính phát minh này đặt tiền đề cho mọi sáng kiến công nghệ điện tử ngày nay.
Giai đoạn phát triển của chip điện tử
Một cuộc cách mạng bắt đầu. Máy tính sử dụng chip bán dẫn đầu tiên trên thế giới thuộc sở hữu của Không quân Hoa Kỳ, được chế tạo vào năm 1961.
Tiềm năng của mạch tích hợp được cụ thể hóa khi Texas Instruments công bố chiếc máy tính toán bỏ túi Caltech vào năm 1967, làm thay đổi hoàn toàn về tư duy công nghệ của nhận loại.
Caltech đủ nhỏ để cầm gọn trong lòng bàn tay, có một con chip bên trong và chỉ cần pin để cung cấp năng lượng.
Từ đó về sau là giai đoạn phát triển thần tốc của kỹ thuật số. Cơ quan Hàng không vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) sử dụng chip trong các tên lửa Apollo thực thi sứ mệnh đưa con người lên Mặt trăng, và các công ty sản xuất máy tính cũng sớm nhảy vào cuộc chơi chip bán dẫn.
Năng suất được giải phóng từ sức mạnh tính toán của những con chip làm từ silicon đã biến đổi mọi thứ trên đường đi của nó: bán lẻ, âm nhạc, tài chính, quảng cáo, du lịch, sản xuất, chăm sóc sức khỏe, năng lượng… hầu như không có ngành công nghiệp nào mà không sử dụng đến nó.
Tương lai của chip điện tử là gì?
Ngày nay, chip điện tử trở nên phổ biến rộng rãi toàn cầu. Và theo quy luật tự nhiên, sự phát triển này sẽ chững lại và có khả năng bị thay thế bởi những linh kiện mới khác.
Công nghệ sản xuất chip ngày nay đã tiến bộ nhiều so với nguyên mẫu thô sơ của Kilby, nhưng quan trọng nhất có lẽ là sự gia tăng theo cấp số nhân số lượng transistor có trên mỗi con chip. Ứng dụng thương mại sớm nhất của chip bán dẫn là máy tính bàn và máy tính xách tay được phổ biến rộng rãi kể từ những năm 1970.
Năm 1989 Intel cho ra đời chất bán dẫn đầu tiên trên thế giới vượt mốc 01 triệu transistor. Hiện nay, những con chip mạnh nhất có thể chứa đến 100 tỷ transistor, và con số này vẫn còn đang tiếp tục tăng lên nữa.
Cho đến nay, việc tiếp tục thu nhỏ kích thước transistor dường như là nhiệm vụ bất khả thi do các giới hạn của vật lý. Intel và Samsung đang sản xuất chip chứa các thành phần kích thước chỉ 7 nanomet, trong khi bán kính nguyên tử silicon là 0,2 nanomet.
Kích thước nguyên tử và tốc độ ánh sáng là hai giới hạn cứng mà con người dù ao ước vẫn chưa thể vượt qua được.
Điện toán lượng tử hay điện toán sinh học sẽ là một giải pháp thay thế?
Một giải pháp là thay thế các lớp phẳng 2D bằng công nghệ 3D với thiết kế hình vây cá giúp tăng số lượng transistor có thể nhét vừa trên một con chip, nhưng cấu trúc này khó sản xuất hơn rất nhiều so với chip truyền thống.
Một hy vọng khác là điện toán lượng tử không bị giới hạn bởi bit nhị phân (0 và 1), mà thay vào đó sử dụng bit lượng tử (qubit) dựa trên lý thuyết cơ học lượng tử của Schrödinger. Máy tính lượng tử hoạt động rất nhanh, có sức chứa bộ nhớ rất lớn, nhưng chỉ có thể vận hành ở nhiệt độ xấp xỉ - 273 độ C, không khả dĩ để ứng dụng thực tiễn trong các thiết bị hằng ngày như điện thoại thông minh hay tivi.
Điện toán sinh học là một lĩnh vực hấp dẫn khác, với một số nghiên cứu đang tìm hướng tạo ra chip có khả năng mô phỏng cách ADN lưu trữ thông tin.
Dù là cách nào đi nữa thì nhân loại cũng đang rất cần một chất xúc tác mới cho cuộc cách mạng công nghệ tiếp theo có thể thay thế chip điện tử.
(Tổng hợp)
