Công nghệ chip tương lai sẽ thay đổi CNTT

Hãy tưởng tượng, một thế giới với các thiết bị điện tử có thể tự cấp điện, tự phục hồi pin sử dụng… chắc chắn bạn sẽ nghĩ đó chỉ là “chuyện như đùa”. Nhưng căn cứ vào những công nghệ chip đang được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đặc biệt của Mỹ, điều này có khả năng thành sự thật. Những công nghệ này thật sự tạo nên cho các nhà sản xuất nhiều ý tưởng cho loạt sản phẩm mới và sáng tạo và rẻ hơn trong tương lai.

Chip không cần dây dẫn – kết nối laser
 
Jurgen Michel, một nhà nghiên cứu tại Microphotonics Center ở Đại học Cambridge đã muốn thay thế tất cả những dây dẫn có trên vi xử lý bằng công nghệ truyền dẫn dữ liệu với ánh sáng laser germanium (Ge). Việc này sẽ làm giảm sự cồng kềnh của các sợi dây đan xen, đặc biệt là những vi xử lý có nhiều lõi xuất hiện.
 
Tia laser Ge có khả năng di chuyển ở tốc độ ánh sáng và có thể truyền tải các bit và byte nhanh gấp 100 lần so với di chuyển điện qua dây, nghĩa là nó có thể sử dụng trong các kết nối quan trọng giữa các lõi xử lý của chip và bộ nhớ của nó.
Điểm mấu chốt của công nghệ này chính là việc không yêu cầu sợi dây cáp nhỏ chôn vùi trong mỗi vi xử lý, thay vào đó các chip được chằng chịt với các tia sáng, gương nhỏ và chuyển tiếp cảm biến nhằm giải mã các dữ liệu. Điều này pha trộn các thiết bị điện tử silicon truyền thống với các thành phần quang học, được biết đến như tấm silicon lượng tử ánh sáng. Bên cạnh đó, công nghệ này cũng biến máy tính xanh hơn vì laser sử dụng ít năng lượng hơn so với dây dẫn mà nó thay thế và tạo ra ít nhiệt hơn khiến yêu cần làm mát ít hơn.
Quá trình thử nghiệm mạch hoạt động kết hợp tia laser Ge để truyền dữ liệu đã được thử nghiệm thành công vào tháng Hai năm ngoái với tốc độ lên đến 1 TB/s, tốc độ nhanh nhất so với các chip sử dụng kết nối có dây có thể làm. Đáng chú ý là chip này sử dụng kỹ thuật bán dẫn xử lý hiện tại với một số bổ sung nhỏ, vì vậy trong năm năm tới công nghệ này có thể được áp dụng.
Và nếu như được cấp phép hoạt động, tương lai vào năm 2015, một chip máy tính có thể được trang bị đến 64 nhân xử lý làm việc cùng lúc. Do đó có thể nói công nghệ laser Ge thật sự là một bước ngoặc lớn trong lịch sử công nghệ chip.


 
Chip nhớ thông minh (memoristor)
 
Các linh kiện điện tử cơ bản xuất hiện kể từ khi bóng bán dẫn silicon xuất hiện vào những năm 1950, nhưng memoristor chắc chắn sẽ là một giải pháp thay thế hoàn chỉnh, nhanh hơn, bền hơn và có khả năng rẻ hơn rất nhiều so với bộ nhớ flash. Theo chuyên gia nghiên cứu Viện Khoa học lượng tử (QSR) tại HP Labs ở Palo Alto, California thì nếu thiết kế lại công nghệ máy tính ngày nay, có lẽ memoristor là lựa chọn hàng đầu. Đây thực sự là cấu trúc cơ bản cho tương lai của ngành điện tử.
 
Memoristor về cơ bản là một điện trở với bộ nhớ lần đầu tiên được ấn định vào năm 1971 bởi giáo sư Leon Chua của Đại học California nhưng đến năm 2008 thì nguyên mẫu memristor mới được công khai. Để xây dựng memoristor, HP sử dụng xen kẽ các lớp titanium dioxide và bạch kim, dưới kính hiển vi điện tử trông chúng giống như một loạt các rặng núi dài song song. Dưới bề mặt là một mảng lưới giữ lại. Hãy suy nghĩ nó như một loạt các hình khối 2-3 nanomet (1 nanomet có số đo gần bằng 1/10 độ dày của một sợi tóc con người).
 
Điều quan trọng là bất kỳ hai dây liền kề có thể được kết nối với một công tắc điện bên dưới bề mặt, tạo ra một tế bào bộ nhớ. Bằng cách điều chỉnh điện áp áp dụng cho các khối, các nhà khoa học có thể mở và đóng các thiết bị chuyển mạch điện siêu nhỏ, lưu trữ dữ liệu như chip bộ nhớ flash truyền thống. Các chip ReRAM này nếu đem so sánh với chip flash thì có thể lưu trữ gấp đôi dữ liệu, nhanh hơn 1.000 lần và có thể kéo dài hàng triệu chu kỳ ghi lại so với 100.000 của bộ nhớ flash.
 
HP và Hynix của Hàn Quốc đã hợp tác để sản xuất hàng loạt chip ReRAM để có thể được sử dụng trong một loạt các thiết bị nhỏ, chẳng hạn như các máy nghe nhạc có thể chứa đến cả terabyte bài hát, video và sách điện tử. Họ mong đợi tung ra những sản phẩm đầu tiên trên thị trường vào năm 2013. Từ đó, trong khoảng 10 năm tới một chip nhớ ReRAM có thể lưu trữ đến đơn vị petabit có thể sẽ là sự thật.
 
ReRAM cũng có thể thay thế RAM động trong máy tính nhờ không làm mất nội dung khi hệ thống bị tắt hoặc bị mất nguồn như DRAM. ReRAM thậm chí còn có thể cho các thiết bị khởi động gần như ngay lập tức, thậm chí nhanh hơn cả tốc độ máy khởi động từ trạng thái ngủ.


 
Các lớp chip có khả năng lập trình
 
Bộ vi xử lý nhanh nhất cho đến các mô-đun bộ nhớ nhỏ nhất, tất cả chỉ đơn giản là nói về tất cả các chip trong ngành công nghiệp điện tử nói chung. Điều này có thể sẽ làm thay đổi trong vài năm tiếp theo như nhà sản xuất chip hướng đến việc siết chặt với các thành phần lại với nhau. Một số nhà cung cấp như Intel đã phải dán chúng lại, trong khi các nhà nghiên cứu tại Đại học Rochester đã thiết kế và xây dựng lớp mạch 3D. Tuy nhiên cả hai phương pháp này đều khá phức tạp và đắt tiền. Nhưng một công nghệ mới xuất hiện trên thiết kế chip ABAX của Tabula đã khiến nhiều người chờ đợi một bước ngoặc mới diễn ra trong tương lai.
 
Thay vì có một số lớp các thành phần mạch điện điện vĩnh viễn khắc vào silicon và không bao giờ thay đổi, ABAX sử dụng mạch lập trình lại có thể thay đổi khả năng của mình theo yêu cầu. Sản phẩm hiện tại của Tabula cung cấp tương đương đến 8 lớp chip khác nhau và có thể thay đổi một cách nhanh chóng trong chớp mắt. Mỗi lớp có nhiệm vụ riêng mình và phân loại công việc để người dùng nhận được khả năng làm việc của một lớp duy nhất cho một công việc nào đó họ đưa ra, điều này sẽ tôi ưu hóa hoạt động của bạn lên rất nhiều.
 
Theo nghiên cứu thì các chip này có thể lập trình công việc chỉ trong thời gian 80 pico giây, nhanh hơn 1.000 lần so với chu kỳ tính toán của một chip. Bằng cách này, các lớp có thể được thay đổi trong khi các chip đang chờ đợi các lệnh tiếp theo.
 
Ý tưởng này có thể có khả năng mở ra một kỷ nguyên mới trong công nghệ chất bán dẫn có trong một chip duy nhất để thay thế hoặc bổ sung mà không cần đến sức mạnh của các bộ phận phụ. Chúng có thể tấn công vào các công nghệ sản xuất vi xử lý, đồ họa và bộ nhớ. Và hiện Tabula đang cố gắng phát triển chip 12 lớp để tối ưu hóa thêm công nghệ của mình.


 
Graphene nhỏ nhất, nhanh nhất
 
Các nhà khoa học đang cố gắng nhồi bóng bán dẫn nhiều hơn bao giờ hết vào trong một bảng mạch silicon đang gặp rất nhiều khó khăn để đảm bảo theo đúng định luật Moore. Tiêu chuẩn công nghệ 14 nm tưởng chừng như bị phá vỡ thì một chất được gọi là graphene có thể làm tăng thêm công nghệ silicon.
 
Graphene là một lớp dày nguyên tử của các nguyên tử C được sắp xếp theo hình lục giác, và dưới kính hiển vi điện tử thì nó trông giống như một sợi dây chằng chịt giữa các đùi gà để tạo thành các mảng tổ ong. Giáo sư Walt de Heer làm việc tại phòng thí nghiệm công nghệ nano tại Viện Công nghệ Georgia ví nó như là một vật liệu tuyệt vời để các thiết bị điện tử tiếp tục phát triển. Tốc độ nhanh chóng, không sử dụng nhiều năng lượng và có thể được thực hiện với nhiều chức năng mà silicon phải chào thua. Đây có thể là tương lai của nganh điện tử.
 
Tự ra thì các nhà nghiên cứu đã làm việc với graphene từ những năm 1970 nhưng họ gặp vấn đề tạo ra các lớp tổ ong siêu mỏng cho đến khi năm 2004, các nhà nghiên cứu Andre Geim và Konstantin Novoselov của Đại học Manchester đã sản xuất thành công các lớp graphene và lĩnh vực này đã tiến bộ một cách nhanh chóng kể từ thời gian này.
         
Đầu năm nay, nhóm của Heer đã chế tạo ra dây graphene, một bước quan trọng đầu tiên trong việc sản xuất vi mạch rộng khoảng 10 nm. Và với graphene, một vi xử lý có tốc độ terahertz (tz) sẽ xuất hiện rất dễ dàng.
Năm tới, nhóm nghiên cứu Viện công nghệ Georgia hy vọng sẽ hoàn tất việc sản xuất một nguyên mẫu mạch tích hợp graphene sử dụng để khám phá tính chất độc đáo của vật liệu và cải tiến công nghệ tạo ra các mạch.
Dự kiến, các sản phẩm sử dụng công nghệ chip graphene có thể sẽ xuất hiện trong khung thời gian 2013, điều này khiến chúng ta có thể mong đợi một MTXT siêu nhanh bằng chip graphene bất cứ lúc nào.


 
Chip giá rẻ
 
Các nhà nghiên cứu tại Xerox đang làm việc để tạo ra các thiết bị mạch in điện tử trên một tấm nhựa có giá rẻ hơn và dễ sử dụng hơn. Điều này sẽ làm giảm chi phí xử lý, bụi và chất gây ô nhiễm. Quá trình này ban đầu có thể chi phí hàng ngàn đô la nhưng trong tương lai sẽ sớm được phổ biến hóa và rẻ đi rất nhiều, phá vỡ những khó khăn trong giá thành ngày nay.
 
Công nghệ thiết kế in mạch trực tiếp vào các vật chất của PARC (phòng nghiên cứu tại Xerox) là một quá trình yêu cầu một số vật liệu đặc biệt, dù rằng trong thực tế như vây không còn gọi là chip nữa. PARC gần đây đã thành công trong việc đưa ra bộ nhớ 20 bit và mạch điều khiển theo cách này. Công ty cho biết sẽ bắt đầu bán sản phẩm vào năm tới.
Một dự án đầu tiên mà PARC áp dụng công nghệ mới đó là phát triển cho dự án nghiên cứu phát triển ngành quốc phòng cho phép ép lên mũ bảo hiểm lính chiến đấu một pin để đo áp lực (lên đến 100 psi), âm thanh (lên đến 175 dB), ánh sáng (lên đến 400 lux),… vốn rất quan trọng trong các chiến trường. Và sau 1 tuần đội nó trên đầu, mũ bảo hiểm của người lính sẽ được gửi đến phòng thí nghiệm, nơi các dữ liệu được tải về để các bác sĩ có thể phân tích xem người lính có đang ở trong nguy cơ chấn thương sọ não hay gây suy nhược thần kinh hay không.
 
Mặt khác, mạch in có thể sẽ không bao giờ bắt kịp so với silic về tốc độ hay khả năng để đưa hàng tỷ bóng bán dẫn trên một cái gì đó kích thước như một móng tay. Tuy nhiên, có rất nhiều lĩnh vực quan tâm đến chi phí hơn là tốc độ. Vào đầu năm 2012, các thiết bị mạch in sẽ bắt đầu xuất hiện.