Quang khắc (Lithography) - Công nghệ đằng sau sự thành công của công nghiệp Silicon

Năm 1946, chiếc máy tính ENIAC ra đời, đánh dấu khởi nguyên của công nghiệp máy tính. ENIAC sử dụng hơn 17000 bóng chân không, nặng gần 27 tấn và tiêu tốn 150kW. Dĩ nhiên là nó chỉ được dùng cho con nhà có điều kiện (bộ quốc phòng Mỹ lúc bấy giờ).

Năm 1947, John Bardeen (nhà vật lý người Mỹ 2 lần đoạt giải Nobel) và các đồng nghiệp tại Bell Labs thí nghiệm thành công transitor tiếp điểm, một bước ngoặc lớn nhằm thay thế các bóng chân không cồng kềnh bằng vật liệu bán dẫn. 60 năm sau, số lượng transitor trong một chip vi tính thông thường đã lên tới đơn vị hàng tỷ, tức là xấp xỉ 1 triệu lần so với công nghệ những năm 1940. Nếu bạn cầm trong tay 1 chiếc iPhone6 (hoặc tương đương), các bạn sẽ ngạc nhiên khi thấy chúng ta đã tiến xa đến mức như thế nào qua phép so sánh sau giữa iPhone6 và máy tính trên phi thuyền Apollo 16 đưa con người lên mặt trăng năm 1972:

  • IP6 có 130000 lần số transitor trên Apollo
  • IP6 có tốc độ clock 32600 lần so với Apollo
  • IP6 có số lệnh thực thi trong mỗi giây gấp 80800000 lần Apollo
  • Tính sơ thì 1 chiếc IP6 nhanh gấp 120000000 (120 triệu) lần Apollo

Vậy phép màu này xảy ra như thế nào? Ta xem tiếp ví dụ chip esp8266 ở hình dưới:

Esp8266 sử dụng công nghệ 40nm, nghĩa là các transitor có kích thước 40nm, khoảng 1 phần 2500 bề dày của 1 tờ giấy. Đây là công nghệ của những năm 2007. Hiện nay các chip Intel đời mới nhất sử dụng công nghệ 14nm và số lượng transitor trên mỗi chip đã lên đến gần 10 tỷ. So sánh với ENIAC, đây là bước nhảy vọt khoảng 100000 lần về số lượng bóng và gần 5 triệu lần về kích thước.

Vậy làm thế nào để "in" hàng chục tỷ linh kiện bán dẫn không thể nhìn thấy bằng mắt thường trên một tấm silicon bé xíu bằng đầu ngón tay? Việc này phải dựa vào một kỹ thuật gọi là photolithography. Photo nghĩa là ánh sáng (như hạt photon). Litho nghĩa là đá trong tiếng Hy Lạp. Graphy nghĩa là khắc, vẽ (như graph - đồ thị). Nói nôm na là ta dùng ánh sáng "vẽ" lên tấm silicon. Để giải thích rõ hơn, các bạn nhìn vào cột bên trái hình phía dưới:

 

Bước đầu tiên là ta đặt 1 lớp vật liệu cản quang (màu xanh dương) lên bề mặt silicon. Tính chất vật liệu này sẽ bị thay đổi khi bị ánh sáng chiếu vào. Bước tiếp theo là ta dùng chùm ánh sáng (thông thường là tia laser) vẽ lên bề mặt của lớp cản quang, biến chúng thành vật liệu khác có màu cam. Tùy loại cảm quang, nếu là positive resist (dương kháng) thì phần bị vẽ sẽ bị ăn mòn bởi loại hóa chất tráng rửa (cột bên trái). Kế đến ta cho vào lò chân không, nung nóng kim loại đến mức bay hơi và ngưng tụ lại trên bề mặt tấm silicon (màu tím). Bước cuối cùng là loại bỏ lớp cản quang bằng một loại hóa chất chuyên biệt, chỉ để lại phần kim loại trên bề mặt silicon.

Trên thực tế thì đây là một quá trình phức tạp, và các nhà máy cần hơn một chục cỗ máy khổng lồ để chế tạo chip, có giá hơn 70 triệu Mỹ cành cho mỗi máy. Có thể nói đây chính là các cỗ máy in tiền nghĩa đen của Intel, khi mà việc cần làm là đưa tấm silicon vào để in ra các con chip Intel bé xíu với giá trên trời. 

Qua đây ta cũng đã hiểu được sự phát triển khoa học công nghệ luôn phải gắn kèm với một lợi ích kinh tế nào đó. Nếu không thì nguy cơ sạt nghiệp là rất cao, điển hình như dịch vụ codebender chẳng hạn. Đây là một bài toán quan trọng cần giải quyết sau khi các bạn đã prototyping sản phẩm của mình thành công. wink

lên
7 thành viên đã đánh giá bài viết này hữu ích.
Chuyên mục: 
Các dự án được truyền cảm hứng

Select any filter and click on Apply to see results

Các bài viết cùng tác giả

Giới thiệu cơ bản máy tính 9 USD: C.H.I.P

Sau Pi Zero và Omega2 là 2 máy tính đồng giá "2 tô phở", tui giới thiệu một máy tính mới giá cao hơn 1 xí tên là C.H.I.P. Đây cũng là một sản phẩm cất cánh từ hình thức gây quỹ đám đông Kickstarter.

lên
11 thành viên đã đánh giá bài viết này hữu ích.
Từ khóa: 

Ngôn ngữ Wolfram - Học làm toán trên Raspberry Pi

Nếu các bạn học sinh cấp 3 từng đau đầu với các bài đạo hàm tích phân, vi phân thì có lẽ Wolfram trên Raspberry Pi sẽ là một công cụ hỗ trợ tuyệt vời. Ta hãy xem một số ứng dụng hay của ngôn ngữ này nha! Lưu ý là các bạn học sinh cấp 3 hay năm 1 đại học chỉ nên dùng Wolfram để kiểm tra kết quả thôi nha, đừng làm biếng làm bài tập. Tui hem chịu trách nhiệm về kết quả tương lai của các bạn được đâu!

lên
6 thành viên đã đánh giá bài viết này hữu ích.
Từ khóa: