Bóng bán dẫn là những thành phần chính của những bộ vi giải quyết và xử lý, một thiết bị thiết yếu trong nhiều loại sản phẩm mà tất cả chúng ta sử dụng hàng ngày như tivi, xe hơi, radio, thiết bị y tế, những thiết bị điện tử, máy tính và cả những con tàu ngoài hành tinh nữa .
Hãy làm một so sánh nhỏ để thấy được sự tăng trưởng vượt bậc của bóng bán dẫn trong 60 năm qua. Chiếc đài bán dẫn tiên phong chỉ có 4 bóng bán dẫn và con chip máy tính tiên phong của Intel – bộ não của chiếc máy tính PC – chỉ chứa 2.300 bóng bán dẫn. Trong khi đó con chip mới nhất của Intel dựa trên quá trình sản xuất 45 nm được ra mắt vào tháng 11/2007 chứa tới 820 triệu bóng bán dẫn. Bóng bán dẫn – “ chiếc động cơ nhỏ bé ” – tựa như như là một phiên bản thu nhỏ của “ chiếc công tắc nguồn bật tắt ” tương hỗ việc giải quyết và xử lý thông tin trong một chiếc máy tính, đã đưa tất cả chúng ta vào thời đại số .
Chiếc bóng bán dẫn liên tục được nâng cấp cải tiến để trở nên nhỏ bé hơn, nhanh hơn và có hiệu suất sử dụng nguồn năng lượng cao hơn sau mỗi một thế hệ. Các kỹ sư của Intel gần đây đã sử dụng những loại vật tư mới trong công thức silicon của mình cùng quy trình tiến độ sản xuất mới để tạo ra những con chip mới phát minh sáng tạo dựa trên vi kiến trúc Intel ® Core ™ trong đó sử dụng những mạch điện 45 nm mới của Intel ( chúng nhỏ đến mức 300 chiếc bóng bán dẫn như vậy hoàn toàn có thể được gói gọn trong một tế bào máu của con người ) .
Phát kiến quan trọng nhất của thế kỷ 20
• 2 nghìn chiếc bóng bán dẫn 45 nm hoàn toàn có thể nằm vừa trên bề ngang của một sợi tóc người .• Hơn 30 triệu bóng bán dẫn 45 nm hoàn toàn có thể nằm gọn trong một chiếc đầu kim. • Một bóng bán dẫn 45 nm hoàn toàn có thể bật tắt tới 300 tỷ lần mỗi giây ; một tia sáng chỉ đi được không đầy một phần mười inch trong khoảng chừng thời hạn thiết yếu để một bóng bán dẫn 45 nm bật và tắt. • Chiếc bóng bán dẫn tiên phong được tăng trưởng bởi Bell Labs năm 1947 hoàn toàn có thể cầm được bằng tay, trong khi hàng trăm chiếc bóng bán dẫn 45 nm mới của Intel hoàn toàn có thể nằm gọn trên mặt phẳng của một tế bào máu. • Nếu một ngôi nhà cũng được thu gọn với cùng một vận tốc thu nhỏ những bóng bán dẫn thì bạn sẽ không hề nhìn thấy ngôi nhà đó nếu không sử dụng kính hiển vi. Để nhìn thấy một bóng bán dẫn 45 nm, bạn cần đến một chiếc kính hiển vi rất văn minh. • Giá của một chiếc bóng bán dẫn nằm trong bộ vi giải quyết và xử lý mới nhất của Intel chỉ bằng khoảng chừng một phần triệu giá trung bình của một chiếc bóng bán dẫn vào năm 1968. Nếu giá xe hơi cũng giảm với cùng một vận tốc như vậy thì một chiếc xe hơi mới lúc bấy giờ chỉ có giá 1 xu. • Ước đoán có khoảng chừng 10.000.000.000.000.000.000 bóng bán dẫn được bán mỗi năm, bằng khoảng chừng 100 lần số con kiến xuất hiện trên toàn cầu. • Bạn hoàn toàn có thể sắp xếp hơn 2000 chiếc bóng bán dẫn 45 nm trên bề ngang của một sợi tóc người .
Sự phát minh sáng tạo ra bóng bán dẫn cuối năm 1947 hoàn toàn có thể là phát kiến quan trọng nhất của thế kỷ 20. Tất nhiên tác động ảnh hưởng của nó so với đời sống hàng ngày trong thế kỷ 20 và 21 không hề được nhìn nhận quá mức. “ Con bọ ”, theo cách gọi trìu mến của những tay chơi đồ điện tử, được sử dụng lần tiên phong trong khuếch đại những tín hiệu âm thanh. Chính do tại điều này, thiết bị xách tay vô tuyến tiên phong của thập niên 50 của thế kỷ trước được biết đến như thể những chiếc đài sử dụng bóng bán dẫn ( đài bán dẫn ). Nhưng trong dài hạn thì ứng dụng quan trọng nhất của bóng bán dẫn lại là ở vai trò của một công tắc nguồn đóng mở trong mạch điện tích hợp ( IC ), được biết đến nhiều hơn dưới dạng những con chip .
Nhờ vai trò như thể một công tắc nguồn bé xíu, hàng trăm triệu chiếc bóng bán dẫn cùng nằm trong những con chip cấu thành trái tim của những thiết bị điện tử mà con người sử dụng hàng ngày, như máy PC, máy tính xách tay và sever, điện thoại di động, lò vi sóng, xe hơi … và list này là vô hạn. Trong khi chiếc đài bán dẫn tiên phong chỉ sử dụng 4 bóng bán dẫn, con chip mới được trình làng vào ngày 12/11 vừa mới qua chứa tới 820 triệu bóng bán dẫn. Không một con chip nào hoàn toàn có thể hoạt động giải trí mà không có bóng bán dẫn, và không một chiếc máy tính nào hoàn toàn có thể hoạt động giải trí mà không có chip, điều đó làm cho bóng bán dẫn có một vai trò không hề thiếu trong những văn minh công nghệ tiên tiến trong 60 năm qua .
Một điều mê hoặc, về cơ bản bóng bán dẫn không làm gì nhiều hơn một công tắc nguồn bóng đèn thường thì : đó là bật hoặc tắt. Vị trí Bật của bóng bán dẫn được bộc lộ bằng số ‘ 1 ’, còn vị trí Tắt được bộc lộ bằng số ‘ 0 ’. Một số lượng lớn những bóng bán dẫn phát ra những số 1 và số 0 mà máy tính sử dụng để đo lường và thống kê, giải quyết và xử lý ký tự, phát đĩa DVD và hiển thị hình ảnh .
Việc ý tưởng ra bóng bán dẫn thuộc về ba tập sự tại Bell Lab : John Bardeen, Walter Brattain và William Shockley, những người đã được trao tặng giải Nobel về Hóa học cho ý tưởng của họ vào năm 1956. Cái tên bóng bán dẫn được John R. Pierce nghĩ ra, đó là một nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Bell Telephone Laboratories nổi tiếng. Vào tháng 5/1948, ông đã giành được phần thưởng của phòng thí nghiệm về cái tên mê hoặc cho một ý tưởng mới chỉ có 6 hoặc 7 tháng tuổi ở vào thời gian đó. Thế giới là một tổng hợp của “ sự dẫn nạp ” ( sự truyền tải của một điện tích ) và ” những điện trở đổi khác ” hay ” biến trở ” .
Rock ’n’ roll
Bardeen và Brattain đã thiết kế xây dựng thành công xuất sắc bóng bán dẫn tiếp xúc điểm tiên phong vào tháng 12/1947, trong đó dòng điện trong bóng bán dẫn được truyền dọc theo mặt phẳng của chất bán dẫn điện. Bóng bán dẫn sau đó khuếch đại tín hiệu điện được chuyển qua nó. Trong những quá trình bắt đầu của việc sử dụng bóng bán dẫn, ứng dụng chính là để khuếch đại tín hiệu điện theo một phương pháp có hiệu suất cao cao hơn so với việc sử dụng những ống chân không ( đèn điện tử ) lớn và cồng kềnh được sử dụng ở thời gian đó .
Để việc tăng trưởng bóng bán dẫn có vận tốc càng cao càng tốt, Bell Labs đã quyết định hành động cung ứng công nghệ tiên tiến bóng bán dẫn theo bản quyền. 26 công ty, gồm có cả IBM và General Electric, đã mua giấy phép, mỗi công ty trả 25.000 USD. Nhưng để công nghệ tiên tiến bóng bán dẫn trở nên thành công xuất sắc về mặt kinh doanh thương mại, nó sẽ phải lôi cuốn được sự chăm sóc của số đông. Nhờ chiếc đài bán dẫn, điều đó đã trở thành sự thực. Mô hình tiên phong của chiếc đài bán dẫn được ra mắt vào tháng 10/1954 chứa 4 chiếc bóng bán dẫn. Chiếc đài bán dẫn xách tay có nghĩa là con người hoàn toàn có thể nghe được âm nhạc và thông tin ở bất kỳ đâu. Nhờ năng lực hoàn toàn có thể xách chuyển dời của chiếc đài, một cuộc cách mạng về âm nhạc đã sinh ra – nhạc rock ‘ n ’ roll .
 |
Mạch tích hợp
Vào cuối thập kỷ 50, bóng bán dẫn đã tìm được con đường để đến với đài thu thanh, máy điện thoại cảm ứng và máy tính. Và mặc dầu chúng đã nhỏ hơn nhiều so với những đèn điện tử, chúng vẫn chưa đủ nhỏ cho một thế hệ mới của những thiết bị điện tử. Do đó, một ý tưởng thứ hai là thiết yếu để phân phối năng lượng thống kê giám sát nhị phân lớn của những bóng bán dẫn độc lập trong khi biến chúng trở nên tương thích với sản xuất số lượng lớn ở mức ngân sách thấp hơn khi nào hết .
Năm 1958, Jack Kilby ( công ty Texas Instruments ) và Robert Noyce ( công ty Fairchild Semiconductor, người sau đó đã tham gia đồng sáng lập công ty Intel ) đã tò mò về số lượng bóng bán dẫn lớn nhất hoàn toàn có thể được tích hợp bên trong của một mạch tích hợp ( IC hay chip ). Đó là một bước tiến đáng kể so với trường hợp trong đó những thành phần độc lập phải được tích hợp bằng tay .
n
Các con chip có hai ưu điểm : ngân sách thấp hơn và hiệu năng cao hơn. Cả hai ưu điểm này đều là hiệu quả của những sự thu nhỏ đáng kể, và còn tạo ra một sự năng động lớn trong quá trình sản xuất. Gordon Moore, người mà vào năm 1968 đã đồng sáng lập ra công ty chip khổng lồ Intel cùng với Noyce, đã đưa ra một dự báo trong một bài đang trên cuốn tạp chí được xuất bản vào năm 1965 được biết đến như thể “ Định luật Moore ”. Định luật này dự báo rằng số lượng bóng bán dẫn trên một con chip hoàn toàn có thể tăng gấp đôi sau mỗi hai năm, điều đó cũng mang lại sự tăng trưởng về hiệu suất giải quyết và xử lý. Rất nhiều linh phụ kiện nhỏ, toàn bộ đều được sắp xếp trên một bề mặt nhỏ, được chứng tỏ là yếu tố quyết định hành động so với sự cải tiến vượt bậc của chip .
Các đơn vị sản xuất chip đã và đang hoàn toàn có thể duy trì sự tăng trưởng theo hàm mũ này trong hơn 40 năm qua. Con chip máy tính tiên phong của Intel, con chip 4004 được sản xuất vào năm 1971, chứa 2.300 bóng bán dẫn. Tới năm 1989, con chip i486 chứa 1.200.000 bóng bán dẫn và vào năm 2000, con chip Pentium đạt tới số lượng 42 triệu. Con chip 45 nm mới của Intel chứa tổng số 820 triệu bóng bán dẫn ( transistor ) .
“Đùa giỡn” với nguyên tử
Sự kết thúc của Định luật Moore đã được dự báo trong rất nhiều trường hợp. Theo định nghĩa, không có sự tăng trưởng theo hàm mũ nào là mãi mãi – tuy nhiên những nhà phân phối chip có vẻ như luôn tìm một phương pháp để duy trì sự “ mãi mãi ”. Tháng 12 năm ngoái, Gordon Moore dự báo rằng định luật của ông sẽ vẫn còn đúng trong vòng tối thiểu là từ 10 đến 15 năm nữa – đó là khi những rào cản cơ bản hoàn toàn có thể Open và buộc định luật của ông phải giậm chân tại chỗ. Nhưng nhiều lúc có vẻ như là định luật nổi tiếng nhất trong quốc tế điện toán cũng hoàn toàn có thể gặp khó khăn vất vả để hoàn toàn có thể duy trì sự đúng đắn trong thế kỷ 21 .
Để duy trì sự tăng trưởng theo hàm mũ đã được phát biểu bởi định luật Moore, những bóng bán dẫn cần phải thu nhỏ đi 50% sau giao động 24 tháng. ” Trận chiến ” thu nhỏ này đã đẩy một bộ phận quan trọng của bóng bán dẫn đến số lượng giới hạn của mình : đó là phần điôxit silic ( SiO2 ) đóng vai trò của một lớp cách điện giữa cực cổng và cực máng nơi dòng điện chạy qua khi bóng bán dẫn được bật lên. Với mỗi một thế hệ chip mới, lớp cách điện này lại trở nên mỏng mảnh hơn – cho đến hai thế hệ trước, nó chỉ còn có 1.2 nm hay có độ dày là 5 nguyên tử. Các kỹ sư của Intel không còn hoàn toàn có thể ” bào mỏng mảnh ” thêm bất kể một nguyên tử nào nữa .
Khi lớp cách điện trở nên mỏng dính hơn thì dòng rò Open. Nó giống như là một vòi nước bị nhỏ giọt : lớp cách điện khởi đầu làm rò rỉ dòng điện vào trong bóng bán dẫn. Điều đó làm cho bóng bán dẫn ứng xử trọn vẹn khác, tiêu tán ra một lượng nguồn năng lượng lớn hơn. Kết quả là : con chip tiêu thụ nhiều điện năng hơn, phát ra một lượng nhiệt lớn trong khi hoạt động giải trí .
 |
Giới hạn cơ bản
Bóng bán dẫn bị rò điện là thử thách lớn nhất so với ngành công nghiệp bán dẫn : nếu không có sự nâng tầm lớn nào, họ hoàn toàn có thể bị dồn đến một số lượng giới hạn cơ bản đã được dự báo từ lâu. Điều đó không chỉ hàm ý sự kết thúc của định luật Moore mà nó còn rình rập đe dọa việc đưa cuộc cách mạng số của những thập kỷ trước đây đến một sự dừng lại bất ngờ đột ngột. Các con chip máy tính có hiệu năng được tăng gấp đôi sau mỗi chu kỳ luân hồi 24 tháng sẽ trở thành những điều của quá khứ .
Giải pháp cho cuộc khủng hoảng cục bộ được tìm ra bởi việc làm cho lớp cách điện mỏng dính hơn. Điều chỉ được dẫn chứng là hoàn toàn có thể bằng việc sản xuất lớp cách điện đó bằng một loại vật tư khác – có chứa số lượng nguyên tử nhiều hơn. Vào tháng 1/2007, Intel đã công bố rằng lần tiên phong sau 40 năm, lớp cách điện sẽ không còn được sản xuất từ điôxit silic nữa mà là bằng Hafnium, một sắt kẽm kim loại màu xám bạc có những đặc tính điện tốt hơn và cắt giảm được dòng rò tới 10 lần. Bản thân Gordon Moore đã gọi sự cải tiến vượt bậc này là “ sự biến hóa quan trọng nhất về công nghệ tiên tiến bóng bán dẫn kể từ cuối thập kỷ 60 ” .
Nhưng nâng tầm này mới chỉ là một nửa của giải pháp. Loại vật tư mới cho thấy là nó không thích hợp với một bộ phận quan trọng khác của bóng bán dẫn là cực cổng. Tệ hơn nữa là những bóng bán dẫn tiên phong sử dụng loại vật tư cách điện mới còn hoạt động giải trí kém hiệu suất cao hơn cả những bóng bán dẫn cũ. Câu vấn đáp được tìm thấy trong việc sử dụng một loại vật tư mới cho cực cổng : một tổng hợp bí hiểm, độc lạ của những sắt kẽm kim loại mà Intel đang xem là một bí hiểm được bảo vệ khắt khe .
Vào ngày 12/11/2007, Intel đã ra mắt một thế hệ mới của những con chip sử dụng những loại vật tư mới này và dựa trên tiến trình sản xuất 45 nm. So với tiến trình 65 nm trước đây, quy trình tiến độ sản xuất nhỏ hơn này được cho phép Intel gần như tăng gấp đôi số lượng bóng bán dẫn trên cùng một diện tích quy hoạnh mặt phẳng, cho phép công ty lựa chọn giữa việc tăng tổng số bóng bán dẫn hoặc làm ra những con chip nhỏ hơn. Vì những bóng bán dẫn 45 nm nhỏ hơn so với thế hệ trước, chúng chỉ nhu yếu mức nguồn năng lượng nhỏ hơn 30 % để bật và tắt .
Trong những thập kỷ vừa qua, bóng bán dẫn và chip đã liên tục mang lại công suất xử lý lớn hơn với mức chi phí thấp hơn. Điều đó đã minh chứng động cơ cuối cùng cho việc tự động hóa nền kinh tế toàn cầu. Nhưng con chip và máy tính vẫn còn cả một quãng đường dài phía trước. Theo thời gian, máy tính đã phát triển thành một công cụ thi hành tuyệt vời những mệnh lệnh do con người đưa ra. Nó in ra những bức thư, gửi e-mail, xử lý những tác vụ tính toán trong bảng tính và phát các bộ phim. Trong tương lai, máy tính được kỳ vọng là sẽ trở thành những cố vấn cho con người; nó sẽ học từ những ứng xử của chúng ta và thích ứng bản thân nó một cách phù hợp. Những bước dự định đầu tiên theo hướng này có thể được nhìn thấy trên những trang web lấy người tiêu dùng làm trung tâm như là Amazon và iTunes. Chúng đưa ra những khuyến nghị cho người tiêu dùng về những nội dung mua sắm khác dựa trên ứng xử mua hàng của chính người tiêu dùng.
Công suất giám sát ngày càng cao là tác dụng của định luật Moore cũng được cho phép loài người xử lý những yếu tố của thời đại có tầm ảnh hưởng tác động lớn hơn như khí hậu, bệnh tật ( di truyền ), chăm nom sức khỏe thể chất với Chi tiêu hài hòa và hợp lý, làm sáng tỏ những bí hiểm về gen. Những yếu tố đó đang được nghiên cứu và điều tra lúc bấy giờ là không hề tưởng tượng được ở vào thời gian 5 năm về trước. Các ứng dụng này làm biến hóa đời sống và duy trì đời sống. Công suất giải quyết và xử lý càng cao trong những máy tính và chip thì những tác dụng của những nghiên cứu và điều tra này càng lớn và là rất là thiết yếu so với loài người. Một thập kỷ mới của định luật Moore đã hiện ra .
Theo Intel. com
