Nhanh hơn, mạnh hơn, tiết kiệm điện hơn. Đấy là kim chỉ nam mà giới công nghiệp điện toán (đặc biệt là phần cứng) vẫn luôn tuân theo trong suốt hàng chục năm qua. Nhưng làm sao để đạt được những mục tiêu trên không phải điều đơn giản. May thay, nhờ kỹ thuật bán dẫn và sự sáng tạo của hàng ngàn kỹ sư, những con chip mới vẫn liên tục ra đời dựa trên các dây chuyền sản xuất tiến bộ hơn. Hôm nay chúng ta sẽ nói một chút về kỹ thuật bán dẫn 22nm của Intel. 1.1 Transistor, tế bào của chip. Thành phần cơ bản của sinh vật trên hành tinh này là các tế bào. Chip cũng tương tự. Mặc cho có khác biệt về kiến trúc và kích cỡ như nào, mọi con chip mà nhân loại làm ra từ trước đến nay đều dựa trên các transistor, một thiết bị về cơ bản là một công tắc điện. Mục đích của các kỹ sư : có thể bật / tắt / tăng giảm cường độ tín hiệu bất kỳ khi nào họ muốn. Thế nên việc làm ra chip suy cho cùng là làm ra các transistor. Các transistor được dùng chủ yếu hiện nay trong chip có tên gọi MOSFET, có cấu tạo cơ bản gồm : - Cực nguồn (source) : nơi dòng điện đi vào - Cực máng (drain) : nơi dòng điện đi ra - Cực cổng (gate) : nơi điều khiển việc ra / vào của dòng diện - Kênh dẫn (channel) : nối giữa nguồn và máng - Lớp cách điện (oxide) : ngăn dòng điện từ cổng không rò rỉ sang kênh dẫn Hình 5: Cấu tạo cở bản của 1 MOSFET Cụm 'FET' trong MOSFET là viết tắt của field-effect transistor, có nghĩa là transistor hiệu-ứng-trường. Thuật ngữ này đồng thời nói lên cách mà transistor hoạt động : khi một điện áp được đặt vào cực cổng, nó sẽ tạo ra một trường điện từ tác động lên kênh dẫn. Tuỳ chủng loại FET (PMOS hay NMOS) mà tác động của trường này sẽ có vai trò đóng / ngắt mạch điện nối giữa 2 cực máng & nguồn. Bằng cách phối hợp hàng chục, hàng trăm, hàng ngàn ... (và hiện nay lên tới hàng tỷ) transistor, các kỹ sư đã tạo ra những con chip có kiến trúc khác nhau cũng như ứng dụng thay đổi tuỳ mục đích. Số lượng transistor trên một con chip nhìn theo một góc độ nào đấy cũng có thể nói lên sức mạnh chung (khi so với những con chip khác cùng kiến trúc) của chip. Chính vì số lượng transistor có thể xem như tỷ lệ thuận với sức mạnh chip, nên càng "nhét" được nhiều transistor hơn lên một diện tích cho sẵn sẽ cho ra con chip càng mạnh. Và để đạt được điều này thì kích thước transistor phải thu nhỏ. Đây là lý do tại sao chúng ta thường nghe nói chip 32nm thì tốt hơn 45nm, chip 45nm thì tốt hơn 65nm và cứ thế ... (vì có nhiều transistor hơn). 1.2 Intel và transistor 22nm Về căn bản, các transistor bán dẫn trong nhiều năm qua không có thay đổi nhiều. Chúng có kích thước nhỏ hơn, bổ sung thêm một số chất liệu khác để thay đổi hệ số điện trở, hạn chế hiện tượng rò dòng ... nhưng vẫn là các transistor phẳng (planar). Rồi tới tiến trình (node) 22nm, Intel đề nghị ra một dạng transistor mới : đứng (3-D) hoặc nhiều cổng (multi-gate). 3-D transistor về bản chất không lạ lẫm với giới công nghiệp bán dẫn. Đó là FinFET (hoặc các FET dạng "vảy" (fin)) từng được đề ra khá lâu. Song FinFET vẫn chưa được dùng trong các sản phẩm thương mại và Intel là hãng đầu tiên ứng dụng kiểu thiết kế transistor này. Hình 6: Cấu tạo một transistor "phẳng". Nhưng tại sao Intel lại thay đổi ? Về phương diện kỹ thuật thì có nhiều thứ để bàn. Ở đây chúng ta chỉ nêu vắn tắt là điện áp ngưỡng (threshold) và điện áp vận hành (operating) của FinFET dễ kiểm soát hơn so với planar. Song thứ gì cũng có 2 mặt : làm FinFET phức tạp và khó khăn nhiều hơn so với planar. Do vậy Intel chưa "vội" chuyển qua FinFET ở các tiến trình trước (65, 45, 32nm ...) mà vẫn dùng planar vì nó vẫn đáp ứng yêu cầu đề ra của Intel. Hình 7: Khác biệt trong hoạt động của transistor "phẳng" và 3-D. Có điều với các thiết kế x86 hiệu năng cao của Intel, planar ở node 22nm có vẻ không còn "tốt" nên hãng này chuyển qua FinFET. Mặc dù vậy, giới bán dẫn vẫn tiếp tục dùng planar vì các thiết kế của họ vẫn hoạt động "tốt" với loại transistor này. Do đó bạn đừng cho rằng FinFET là bắt buộc mà "tuỳ nhu cầu mới cần đến hay không". Hình 8: Transistor 3-D của Intel (FinFET).nguồn: Phạm Xuân Việt
