Chip bán dẫn ngày càng nóng lên, theo đúng nghĩa đen. Khi các kỹ sư đang cố nhồi nhét hàng loạt chức năng vào chip, chúng cần nhiều năng lượng hơn và do đó tạo ra nhiều nhiệt hơn bao giờ hết.
Để giải quyết vấn đề này, Thung lũng Silicon đang tìm kiếm một số vật liệu đặc biệt. Các công ty chip lớn và nhỏ đang thử nghiệm những lát kim cương tổng hợp, những mảnh thủy tinh siêu tinh khiết hoặc thậm chí là một vật liệu ít người biết đến chỉ mới được tổng hợp gần đây.
Nhiệt là một vấn đề cố hữu đối với các kỹ sư. Chiếc bóng đèn thực tế đầu tiên của Thomas Edison đã thành công phần lớn là nhờ ông giúp nó không bị cháy trong thời gian ngắn. Động cơ chạy bằng khí đốt truyền thống cần dầu và chất làm mát để tránh hỏng hóc, và các lò phản ứng hạt nhân nổi tiếng cần được làm mát để tránh hiện tượng quá nhiệt.
Andy Bechtolsheim, người đồng sáng lập Sun Microsystems vào năm 1982 và là nhà thiết kế phần cứng chính của công ty, cho biết: “Giới hạn cứng đối với hiệu suất chip là nhiệt độ tối đa trên chip”. Các vi mạch silicon không thể chạy nóng hơn khoảng 105°C nếu không chúng sẽ trở nên nguy hiểm. Để đạt được tốc độ cao hơn mà không bị hỏng hóc, các nhà phát triển chip đặt mục tiêu tản nhiệt lên hàng đầu.
Vấn đề nhiệt lượng
Gang Chen, Giám đốc văn phòng kỹ thuật nano tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), nói các bộ xử lý hiệu năng cao hiện đại có thể đạt mức tiêu thụ 100 W cho mỗi cm vuông diện tích. "Năng lượng đó sẽ chuyển thành nhiệt cần được giải phóng khỏi hệ thống", ông nói.
Đây là vấn đề gai góc với những trung tâm dữ liệu hiện đại. Thế hệ chip sau có hiệu năng cao gấp nhiều lần sản phẩm đời trước, dẫn tới những đòi hỏi về cung cấp năng lượng và giải nhiệt. "Phát triển những dòng chip mới đòi hỏi mọi công nghệ hiện có, cùng hàng loạt vật liệu thay thế như kim cương nhân tạo", Bechtolsheim nói.
Kim cương là vật liệu dẫn nhiệt tốt nhất con người từng phát hiện, nhưng chưa thể dùng để chế tạo chip bán dẫn vì vấn đề kỹ thuật và chi phí. Phương án khả thi nhất là phát triển chip thông thường, loại bỏ phần nền silicon không chứa mạch điện và gắn phần còn lại với tinh thể kim cương đơn.
Các kỹ sư Diamond Foundry tuyên bố đã phát triển viên kim cương lớn nhất thế giới xét về đường kính. Hãng sử dụng công nghệ của Đức để tạo ra miếng wafer bằng kim cương nhân tạo có đường kính 10,16 cm, dày chưa đến 3 mm và có khả năng gắn với chip silicon. Diamond Foundry đã xuất xưởng hàng trăm tấm wafer như vậy.
"Chip bán dẫn có thể vận hành với xung nhịp gấp đôi thông số của nhà sản xuất. Kỹ sư của chúng tôi thậm chí tăng gấp ba lần xung nhịp của một trong những dòng chip mạnh nhất do Nvidia chế tạo", CEO Diamond Foundry Martin Roscheisen cho hay.
CEO Roscheisen nói công ty đang thảo luận với các nhà sản xuất chip hàng đầu thế giới, cùng nhiều tập đoàn quốc phòng và hãng xe điện, nhằm giúp sản phẩm của họ vận hành nhanh hơn và có kích thước nhỏ hơn.
Yếu tố then chốt dẫn tới quá trình này là giá thành kim cương nhân tạo ngày càng rẻ. Mỗi tấm wafer hiện có chi phí tương đương wafer bằng silicon carbide, vật liệu thường được dùng trong ôtô điện.
Ngoài wafer kim cương đơn tinh thể của Diamond Foundry, một phương án khác là là kim cương đa tinh thể, vốn dễ tổng hợp hơn. Coherent, công ty có trụ sở tại bang Pennsylvania của Mỹ, chuyên sản xuất loại vật liệu này để dùng cho ứng dụng laser.
Element Six, công ty thuộc tập đoàn kim cương De Beers Group, chào bán những tấm kim cương lớn để kẹp giữa chip bán dẫn và tản nhiệt truyền thống nhằm tăng khả năng dẫn nhiệt.
Thủy tinh siêu tinh khiết
Trong khi đó, Intel đang theo đuổi phương án lắp chip trên tấm nền thủy tinh. Biện pháp này mang đến nhiều lợi ích, như giữ chắc kết cấu của chip nguyên khối vốn ngày càng lớn và tăng số lượng chiplet trong một bộ xử lý. Thủy tinh không giúp tản nhiệt nhưng bảo đảm chip bán dẫn không bị hỏng khi kích thước gia tăng và tiêu thụ ngày càng nhiều năng lượng.
"Các hệ thống AI có thể chạm ngưỡng tỏa 1.000 W nhiệt trên mỗi bộ thiết bị", Rahul Manepalli, chuyên gia phát triển công nghệ đóng gói chip của Intel, cho hay. Con số này tương đương lượng nhiệt của máy sấy tóc, được tạo ra bởi khối chip bán dẫn có kích thước gần 26 cm2.
Tấm đế thủy tinh cũng mang đến mật độ kết nối cao hơn, cho phép các bộ phận của chip giao tiếp nhanh hơn mà không tăng lượng điện tiêu thụ.
Các kỹ sư Intel đã chứng minh được hiệu quả của công nghệ này trong điều kiện phòng thí nghiệm và dự kiến ra mắt chip dùng đế thủy tinh đầu tiên sau 2025.
Loại bỏ hoàn toàn silicon
Trong tương lai, các nhà khoa học và kỹ sư đã thấy trước một ngày chúng ta có thể thay thế hoàn toàn silicon trong vi mạch. Một ứng cử viên thay thế là boron arsenide, mà các nhà nghiên cứu đã xác nhận là vật liệu tốt thứ ba trên thế giới về khả năng truyền nhiệt. Một điểm khác biệt lớn giữa kim cương và boron arsenide là trong khi kim cương là chất cách điện thì boron arsenide là chất bán dẫn, giống như silicon. Điều này có nghĩa là nó có thể được sử dụng để tạo ra các vi mạch thực sự. Những con chip như vậy sẽ có những đặc tính chưa từng có trong các con chip hiện tại, chúng có thể chạy nhanh hơn rất nhiều vì chúng có thể tản nhiệt nhanh chóng.
Những con chip này cũng sẽ có một đặc tính hấp dẫn khác. Các tinh thể boron arsenide rất hiệu quả trong việc di chuyển xung quanh các giả hạt tích điện dương được gọi là “lỗ trống”. Điều này sẽ tạo ra những loại logic tính toán khả thi mà ngày nay không được sử dụng rộng rãi.
Một ngày nào đó, chip máy tính có thể mang thiết kế từng được coi là kém khả thi, với thủy tinh trên cùng để cung cấp khả năng kết nối tốc độ cao, một lớp silicon ba chiều ở giữa để xử lý và một tấm wafer kim cương ở phía dưới để mang toàn bộ nhiệt lượng ra ngoài, Bechtolsheim chia sẻ.
Theo The Wall Street Journal
