Bí kíp giúp Mỹ dẫn đầu cuộc đua bán dẫn tương lai

Vào những năm 1970, ông là đầu mối quy tụ cả ngành công nghiệp máy tính để xây dựng một loại vi mạch mới với hàng trăm nghìn bảng mạch mà sau đó trở thành nền tảng của ngành công nghiệp bán dẫn ngày nay.

Giờ đây, Tiến sĩ Sutherland, 84 tuổi, cho biết nước Mỹ đang loay hoay tìm kiếm công nghệ đúc chip mới để đưa nước này trở lại vị thế dẫn đầu trong chế tạo những chiếc máy tính tiên tiến nhất.

Giới hạn công nghệ bán dẫn truyền thống

Vào những năm 1970, Tiến sĩ Sutherland, chủ tịch khoa khoa học máy tính tại Viện Công nghệ California, và anh trai của ông, Bert Sutherland, khi đó là giám đốc nghiên cứu tại một bộ phận của Xerox có tên là Trung tâm Nghiên cứu Palo Alto, đã giới thiệu nhà khoa học máy tính Lynn Conway cho nhà vật lý học Carver Mead.

Đã sáu thập kỷ trôi qua kể từ khi Ivan Sutherland tạo ra Sketchpad, hệ thống phần mềm khắc họa tương lai của điện toán đồ họa và tương tác.

Dựa trên chất bán dẫn oxit kim loại bổ sung, còn gọi là CMOS, được phát minh ở Mỹ, các nhà khoa học này đã tạo ra cuộc cách mạng về sản xuất vi mạch được sử dụng trong máy tính cá nhân, trò chơi điện tử và vô số sản phẩm kinh doanh, tiêu dùng và quân sự.

Ngày nay, các công ty Đài Loan và Hàn Quốc đang thống trị ngành đúc chip CMOS. Trong khi đó, Mỹ có kế hoạch chi hàng trăm tỷ USD trong nỗ lực xây dựng lại ngành công nghiệp chip để giành lại vị thế dẫn đầu toàn cầu.

Thế nhưng, tiến sĩ Sutherland cùng các chuyên gia khác trong ngành, tin rằng việc sản xuất CMOS đang đạt đến các giới hạn cơ bản khiến cho chi phí tăng đến độ không thể chấp nhận được.

“Có thể khẳng định chắc chắn rằng con người sẽ phải thay đổi hoàn toàn cách thiết kế máy tính bởi vì chúng ta thực sự đang tiến gần đến giới hạn công nghệ dựa trên silicon hiện tại,” Jonathan Koomey, chuyên gia tính toán nhu cầu năng lượng điện toán cho hay.

Sau khi thu nhỏ kích thước của bóng bán dẫn xuống chỉ bằng hàng trăm hoặc hàng nghìn nguyên tử, ngành công nghiệp bán dẫn ngày càng gặp nhiều khó khăn với những thách thức kỹ thuật.

Công nghệ mạch siêu dẫn giúp loại bỏ điện trở, tác nhân sinh nhiệt trong quá trình bóng bán dẫn hoạt động, từ đó mở ra cơ hội cho những cỗ máy tính mạnh mẽ hơn

Cụ thể, các vi xử lý hiện đại đang bị ảnh hưởng bởi cái gọi là “silicon đen” - hiện tượng chỉ việc nếu tất cả hàng tỷ bóng bán dẫn trên vi xử lý được sử dụng đồng thời, nhiệt lượng tỏa ra sẽ làm con chip nóng chảy. Do đó, phần lớn con chip đều ở trạng thái nghỉ và chỉ một số bóng bán dẫn hoạt động, khiến hiệu suất thực tế giảm sút nhiều.

Mạch siêu dẫn - tương lai dài hạn của bán dẫn

Theo tiến sĩ Sutherland, thách thức lớn nhất của công nghệ nêu trên sẽ được giải quyết bằng các mạch điện tử siêu lạnh có khả năng chuyển đổi không điện trở, giúp loại bỏ nhiệt lượng dư thừa ở tốc độ cao, từ đó cho phép những nhà thiết kế máy tính có thể chế tạo những cỗ máy nhanh hơn.

“Quốc gia nào nắm bắt tốt nhất cơ hội mạch kỹ thuật số siêu dẫn sẽ có ưu thế điện toán trong nhiều thập kỷ tới,” Sutherland và một đồng nghiệp gần đây đã viết trong bài tiểu luận được lan truyền giữa các nhà công nghệ và quan chức chính phủ.

Không những vậy, các hệ thống điện toán dựa trên chất siêu dẫn có điện trở trong công tắc và dây điện giảm xuống bằng 0, có thể giải quyết thách thức làm mát đang hành hạ các trung tâm dữ liệu của thế giới.

Sutherland cho biết, Mỹ nên xem xét các công nghệ thay thế vì lý do an ninh quốc gia. Ông gợi ý rằng, những ưu điểm của công nghệ máy tính siêu dẫn trước tiên có thể hữu ích trong thị trường cạnh tranh cao như máy trạm di động cơ sở hay các máy tính chuyên dụng bên trong tháp điện thoại di động xử lý tín hiệu không dây.

“Ivan đã đúng khi cho rằng năng lượng là vấn đề lớn”, John L. Hennessy, kỹ sư điện, chủ tịch Alphabet và là cựu chủ tịch của Stanford cho biết. Ông cũng chia sẻ thêm rằng chỉ có hai cách để giải quyết vấn đề trên: thiết kế mới hiệu quả - điều khó có thể xảy ra đối với các máy tính đa năng, hoặc bằng tạo ra công nghệ mới không bị ràng buộc bởi các quy tắc hiện có.

Theo NYT

Thế Vinh