Trong nhiều thập kỷ, silicon luôn là vật liệu thống trị trong ngành công nghiệp bán dẫn, nhưng giai đoạn thiếu chip silicon gần đây đang giúp cho một vật liệu mới lên ngôi với tiềm năng làm cho các thiết bị điện tử thân thiện với môi trường, hiệu quả và nhỏ gọn hơn. Nhiều công ty đang chuyển sang sử dụng Gallium Nitride (GaN) do vật liệu này cho phép tốc độ chuyển mạch cao hơn và hiệu suất tốt hơn so với silicon.

Định luật Moore

Định luật Moore được nhà đồng sáng lập Intel Gordon Moore đặt ra vào năm 1965 và định luật dự đoán rằng cứ hai năm một lần, số lượng bóng bán dẫn (về cơ bản là thành phần nhỏ nhất trong bộ xử lý) sẽ tăng lên gấp đôi. Vì vậy, nếu chúng ta đang chế tạo con chip lớn nhất có thể trong năm này, thì ta sẽ có thể tạo ra một con chip có số lượng bóng bán dẫn gấp đôi hai năm sau đó. Nếu ngành công nghiệp có thể xây dựng một bộ xử lý với một triệu bóng bán dẫn trong một năm, thì trong thời gian hai năm, một con chip hai triệu bóng bán dẫn sẽ là khả thi.

Trong phần lớn lịch sử điện toán, các công ty chế tạo chip (thường gọi là fabs) có khả năng triển khai các nút tiến trình mới mỗi một hoặc hai năm và tuân theo Định luật Moore. Ngoài ra, các nút tiến trình mới cũng cải thiện xung nhịp (đôi khi được gọi đơn giản là hiệu năng) và hiệu quả về năng lượng, do vậy việc sử dụng quy trình mới nhất hoặc mới thứ nhì thường là điều mà các công ty mong muốn trừ khi họ phát triển các sản phẩm có yêu cầu kỹ thuật đặc thù. Chẳng hạn như việc Qualcomm vẫn đồng thời tạo ra các chip có tiến trình 12nm hoặc cũ hơn cho dòng điện thoại giá rẻ, bên cạnh các chip flagship có tiến trình mới nhất.

Chết dần chết mòn

Ngành công nghiệp đã kỳ vọng là chuyến tàu hấp dẫn, tươi mới của các nút tiến trình mới mỗi năm hoặc gần như vậy sẽ kéo dài vĩnh viễn, nhưng tất cả đã đổ sụp trong thế kỷ 21. Một dấu hiệu đáng lo ngại là sự kết thúc của quy mô Dennard, vốn dự đoán rằng các bóng bán dẫn tinh gọn, dày đặc hơn sẽ có thể đạt tốc độ xung nhịp cao hơn, nhưng điều đó đã không còn đúng quanh mốc tiến trình 65nm vào giữa những năm 2000. Ở những kích cỡ siêu nhỏ như vậy, các bóng bán dẫn đã thể hiện kiểu hành vi mới mà không nhà vật lý nào có thể đoán trước được.

Ngay cả những công ty có thể phát triển các nút mới này cũng không thể duy trì được mức độ cải tiến từ thế hệ này sang thế hệ khác của các nút cũ hơn. Ngày càng khó làm cho chip dày đặc hơn; nút tiến trình 3nm của TSMC thực sự không thể thu nhỏ bộ đệm cache, đây là một thảm họa. Và trong khi mức tăng về mật độ đang giảm dần qua mỗi thế hệ thì việc sản xuất ngày càng đắt đỏ hơn, khiến chi phí trên mỗi bóng bán dẫn bị đình lại không thể giảm kể từ nút 32nm, điều này làm cho việc bán bộ xử lý với giá thấp hơn trở nên khó khăn hơn. Các cải thiện về hiệu năng và hiệu quả năng lượng cũng không còn tốt như trước đây.
Tất cả những điều này khi gộp lại là dấu hiệu biểu thị cái chết của Định luật Moore đối với chúng ta. Đây không chỉ là việc không tăng gấp đôi số bóng bán dẫn sau mỗi hai năm; đó là tình trạng tăng giá, chạm tới bức tường hiệu năng và không thể tăng hiệu quả năng lượng dễ dàng như trước. Đây là một vấn đề tồn tại cho toàn bộ ngành công nghiệp máy tính.

Một số loại vật liệu bán dẫn

Mặc dù đóng vai trò quan trọng nhất của ngành công nghiệp chất bán dẫn trong hầu hết những năm cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21, nhưng silicon đang dần tiến tới giới hạn ứng dụng của nó. Giờ đây, nhu cầu về các mạch tích hợp ngày càng nhỏ hơn, nhanh hơn đã gần như tận dụng hết những lợi thế của vật liệu bán dẫn hiện tại, khiến cho các chuyên gia trong ngành lo ngại rằng silicon đang tiến gần đến các giới hạn vật lý liên quan đến Định luật Moore: “Số lượng transistor trên mỗi đơn vị inch vuông sẽ tăng lên gấp đôi sau mỗi 24 tháng”. Theo đó, việc nghiên cứu phát triển các vật liệu mới cũng đang dần được tiến hành, trong đó có một số loại vật liệu tiềm năng như:

Gallium nitrit công suất cao: khả năng chuyển đổi năng lượng hiệu quả hơn, nhanh hơn trong các hệ thống lưới điện do trường năng lượng đạt tới giới hạn trên.

Chất bán dẫn tạo bởi antimonit và bismuthit: đang được sử dụng trong các cảm biến hồng ngoại cải tiến cho lĩnh vực y tế và quân sự.

Graphene: tiềm năng vượt qua silicon với ưu điểm là vật liệu bán dẫn đa năng, tuy nhiên việc thương mại hóa rộng rãi có thể phải mất đến 25 năm nữa.

Pirit: có thể thay thế nguyên tố đất hiếm Cadmium tellurit, sử dụng rộng rãi trong pin mặt trời. Pirit dồi dào, giá thành rẻ và không gây độc hại.

GaN

Là hợp chất giữa gali (số nguyên tử 31) và nitơ (số nguyên tử 7), Gallium Nitride là một vật liệu bán dẫn dải rộng (wide-bandgap semiconductor) với cấu trúc tinh thể hình lục giác, cứng. Trong đó, bandgap là mức năng lượng cần thiết để các electron và các lỗ trống (hole) di chuyển từ vùng hóa trị sang vùng dẫn trong mạng nguyên tử của chất bán dẫn. Các chất bán dẫn thông thường như silicon có bandgap nằm trong khoảng 1 - 1,5 electronvolt (eV), trong khi các vật liệu có dải tần rộng có bandgap trong khoảng 2 - 4 eV.

Vì bandgap quyết định điện trường mà vật liệu có thể chịu được, mức bandgap rộng hơn của GaN cho phép phát triển các chất bán dẫn có vùng nghèo (depletion region) rất ngắn, dẫn đến cấu trúc thiết bị có mật độ hạt tải điện rất cao. Với kích thước bóng bán dẫn nhỏ hơn và đường dẫn ngắn hơn, điện trở và điện dung cực thấp sẽ được tạo ra, cho phép tốc độ chuyển mạch nhanh hơn đáng kể.

Điểm mấu chốt là công nghệ GaN có thể chịu điện trường cao hơn với kích thước linh kiện nhỏ hơn nhiều so với silicon thông thường, trong khi chuyển mạch nhanh hơn đáng kể. Ngoài ra, công nghệ GaN có thể hoạt động ở nhiệt độ tối đa cao hơn so với các công nghệ dựa trên silicon.

GaN ngày càng chứng tỏ được tầm quan trọng nhờ khả năng cung cấp hiệu suất tương đối tốt trên nhiều ứng dụng, đồng thời giảm năng lượng và không gian cần thiết. Khi nhu cầu năng lượng toàn cầu tăng lên, việc chuyển sang công nghệ GaN sẽ giúp đáp ứng nhu cầu trong khi vẫn giữ mức phát thải carbon ở mức tối thiểu. Thiết kế tích hợp GaN đã được chứng minh có thể cung cấp chất bán dẫn thế hệ tiếp theo với lượng khí thải carbon thấp hơn mười lần so với các chip silicon cũ. Người ta ước tính rằng việc nâng cấp các trung tâm dữ liệu trên toàn thế giới từ chip Silicon sang GaN sẽ giảm thất thoát năng lượng khoảng 30 đến 40%, tức là tiết kiệm hơn 100 terawatt giờ điện và 125 triệu tấn khí thải CO2 vào năm 2030.

Cách hoạt động

Gallium nitride hoạt động bằng cách sử dụng một cấu trúc đặc biệt trong đó một lớp nhôm gallium nitride (AlGaN) được đặt trên đầu GaN. Thiết lập này tạo ra một đường dẫn mỏng, tốc độ cao cho các electron được gọi là khí electron hai chiều (2DEG). Bởi vì các electron được đóng gói chặt chẽ và có thể di chuyển dễ dàng trong lớp này, vật liệu sẽ dẫn điện hiệu quả.Điều này dẫn đến các thiết bị có thể xử lý công suất cao, chuyển đổi nhanh hơn và giữ mát hơn so với các thiết bị được làm bằng silicon thông thường.

Gallium nitride từ lâu đã được sử dụng trong sản xuất các thiết bị điện cao tần và quang điện tử nhưng hiện được ứng dụng phổ biến trong một số ứng dụng chuyển mạch và chuyển đổi nguồn. Cụ thể, các chip dựa trên GaN có thể cải thiện hiệu suất của hệ thống, tiết kiệm không gian và cung cấp hoạt động đáng tin cậy ở nhiệt độ cao hơn.

Trong các sản phẩm điện thoại và laptop, tín hiệu mạng di động GSM và Wi-Fi được truyền và nhận bằng thiết bị thu phát sóng vô tuyến có chứa GaN, trong khi nhiều bộ sạc và bộ chuyển đổi năng lượng cho các thiết bị này cũng được tích hợp GaN. Trên thực tế, thị trường lớn nhất về nguồn GaN hiện là sạc nhanh di động, với các chip GaN, bộ chuyển đổi nguồn có thể sạc nhanh gấp ba lần trong khi kích thước và trọng lượng chỉ bằng một nửa so với các thiết kế dựa trên silicon. Hơn nữa, đối với bộ sạc một nguồn ra, giá bán lẻ của bộ sạc GaN có thể thấp hơn đáng kể so với các bộ sạc silicon tốt nhất và thấp hơn ba lần so với các bộ sạc nhiều đầu ra.

Chất bán dẫn Gallium Nitride cũng đang được ứng dụng trong các máy chủ của các trung tâm dữ liệu. Khi lưu lượng truy cập vào trung tâm dữ liệu tăng đột biến đến một ngưỡng nhất định, khả năng xử lý điện năng của silicon sẽ gặp phải rào cản về giới hạn “vật liệu vật lý”. Kết quả là, chip silicon bị vượt qua bởi các chip GaN tốc độ cao.

Trong ngành công nghiệp ôtô, Gallium Nitride đang trở thành công nghệ được lựa chọn để chuyển đổi năng lượng và sạc pin trong các loại xe hybrid và xe điện. Các sản phẩm dựa trên GaN cũng có thể được tìm thấy trong các bộ biến tần lắp đặt trên các thiết bị điện mặt trời và các ứng dụng công nghiệp khác.