Các nhà khoa học Trung Quốc dùng kim cương tạo chip siêu mạnh mẽ cho chiến tranh điện tử

Các nhà khoa học làm việc cho nhà cung cấp vũ khí chiến tranh điện tử lớn nhất Trung Quốc nói chất bán dẫn gallium nitride (GaN) với chất nền kim cương mà họ tạo ra đạt được mật độ năng lượng cao hơn 30% so với bất kỳ sản phẩm nào hiện có.

Theo các nhà khoa học, nếu những chip làm từ kim cương này (còn được gọi là chất bán dẫn thế hệ thứ tư) được áp dụng rộng rãi, chúng có thể tăng cường khả năng của quân đội Trung Quốc về băng thông liên lạc, phạm vi radar và khả năng ngăn chặn điện từ, có thể mang lại cho họ lợi thế quyết định trong chiến tranh điện tử.

“Những thiết bị mới này có hiệu suất vượt trội, bao gồm công suất cao, tần số cao và mức tiêu thụ năng lượng cực thấp”, theo nhóm nghiên cứu do Wang Yingmin, chuyên gia chính của Viện nghiên cứu thứ 46 của China Electronics Technology Group Corporation (CETC), dẫn đầu. Wang Yingmin cho biết điều này trong bài báo được đánh giá bởi đồng nghiệp và công bố trên tạp chí học thuật Semiconductor Technology (Trung Quốc).

Trong khi các quốc gia khác vẫn đang vật lộn với công nghệ này trong phòng thí nghiệm, Trung Quốc đã giải quyết được những khúc mắc ở dây chuyền sản xuất.

Các nhà khoa học Trung Quốc cho biết: “Một bước đột phá về công nghệ phát triển kim cương trực tiếp trên GaN đã đạt được trong quy trình công nghiệp”.

Trung Quốc đã giữ vị trí thống trị trong ngành kim cương toàn cầu, chiếm 95% sản lượng thế giới. Chỉ riêng năm 2023, các nhà máy Trung Quốc đã sản xuất hơn 16 tỉ carat kim cương tổng hợp, một con số đáng kinh ngạc tương đương 8 lần tổng trữ lượng kim cương tự nhiên được biết đến trên Trái đất.

Từng được coi là một loại đá quý quý hiếm và sang trọng, kim cương đã trải qua quá trình chuyển đổi đáng chú ý thành loại vật liệu công nghiệp tiết kiệm chi phí ở Trung Quốc. Một viên kim cương chưa cắt được tạo ra trong phòng thí nghiệm hiện có giá chỉ 1 USD trên một số cửa hàng trực tuyến ở Trung Quốc. Mức giá thấp này đã mở đường cho việc sử dụng chúng trong ngành công nghiệp chip.

Transistor linh động điện tử cao (HEMT) đóng vai trò then chốt trong các radar và vũ khí vi sóng tiên tiến. Những chip này có khả năng tạo ra sóng điện từ tần số cao và công suất cao. Hiện chip HEMT tiên tiến nhất được chế tạo bằng GaN, vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba.

Tuy nhiên, thách thức đáng kể với GaN là xu hướng tạo ra nhiệt đáng kể trong quá trình hoạt động, điều này thường cản trở quá trình tản nhiệt hiệu quả. Kết quả là trong các ứng dụng thực tế, “những thiết bị này chỉ có thể đạt được 20 - 30% hiệu suất lý thuyết, còn rất xa so với tiềm năng hiệu quả tối đa của chúng”, nhóm của Wang Yingmin viết trong bài báo.

Được biết đến là vật liệu có độ dẫn nhiệt cao nhất trong tự nhiên, kim cương có hiệu suất truyền nhiệt cao hơn gấp 5 lần so với vật liệu cacbua silic thông thường. Kim cương cũng thể hiện sự ổn định vật lý và hóa học tuyệt vời, khiến nó phù hợp để sử dụng trong các loại vũ khí và thiết bị thường hoạt động trong môi trường khắc nghiệt.

Những năm qua, các nhà khoa học trên thế giới đã tiến hành nhiều nghiên cứu về ứng dụng kim cương trong các thiết bị dẫn điện hiệu suất cao. Họ phát hiện ra rằng các đặc tính hóa lý của GaN và kim cương khá khác nhau, khiến chúng khó liên kết chặt chẽ với nhau. Nếu chúng được dán lại với nhau bằng vật liệu giống như chất kết dính, hiệu quả tản nhiệt sẽ giảm đáng kể.

Nhóm của Wang Yingmin đã áp dụng một cách tiếp cận mới, đề xuất sự phát triển trực tiếp của kim cương trên GaN. Từng được coi là một ý tưởng xa vời, quá trình phát triển kim cương đòi hỏi nhiệt độ và áp suất cực cao, những điều kiện có thể gây bất lợi cho chip GaN.

Tuy nhiên, các nhà khoa học Trung Quốc tuyên bố đã vượt qua được rào cản kỹ thuật đáng kể này. Đầu tiên, họ gieo “hạt giống” kim cương ở nhiệt độ và áp suất tương đối thấp lên bề mặt GaN. Sau đó, các nhà khoa học tăng nhiệt độ và áp suất để biến “hạt giống” thành một lớp tinh thể kim cương chất lượng cao, rộng 1cm.

Quy trình này có vẻ đơn giản, nhưng ẩn sau đó là sự phức tạp, vì ngay cả những sai lệch nhỏ cũng có thể dẫn đến hình thành tạp chất than chì trong kim cương, làm ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính tản nhiệt của nó.

Thông qua thí nghiệm tỉ mỉ, các nhà khoa học và kỹ sư Trung Quốc đã cải tiến quy trình này, ngăn chặn sự hình thành tạp chất và cho phép sản xuất quy mô lớn các thiết bị HEMT GaN nền kim cương chất lượng cao.

Nhóm của Wang Yingmin cho biết trong bài báo: “Những sản phẩm này có tiềm năng ứng dụng to lớn trong lĩnh vực thiết bị năng lượng vi sóng trạng thái rắn cho thế hệ tiếp theo”.

Những năm gần đây, quân đội Trung Quốc đã đạt được một số bước tiến đáng kể về năng lực tác chiến điện tử, được hỗ trợ bởi ngành công nghệ thông tin liên lạc rộng khắp và hàng đầu thế giới.

Một bài báo được xuất bản gần đây tiết lộ rằng thiết bị trinh sát chiến tranh điện tử mới nhất của quân đội Trung Quốc, được trang bị trí tuệ nhân tạo (AI) và các công nghệ tiên tiến khác, đã vượt qua những thách thức do xử lý luồng thông tin rộng lớn. Thành tựu này lần đầu tiên cho phép giám sát sóng điện từ tần số cao trên chiến trường theo thời gian thực.

Theo một số nhà nghiên cứu, việc tích hợp radar và ăng-ten trên các tàu chiến mới được đưa vào hoạt động của Trung Quốc có thể ở mức cao hơn đáng kể so với các tàu chiến chủ lực của hải quân Mỹ.

Các cột ăng-ten khổng lồ trên các tàu sân bay lớp Ford và tàu khu trục lớp Arleigh Burke mới nhất của Mỹ, gợi nhớ đến những chiếc từ Thế chiến thứ hai, đã bị chế giễu là “dây phơi quần áo” trên các nền tảng mạng xã hội Trung Quốc.

Bất chấp kinh nghiệm chiến đấu sâu rộng của hải quân Mỹ, đối thủ chính của họ kể từ Chiến tranh Lạnh chủ yếu là các nhóm khủng bố với khả năng trả đũa ở mức tối thiểu hoặc gần như không tồn tại. Nếu phải đọ sức với những đối thủ có công nghệ tương đương hoặc vượt trội hơn, các sĩ quan và thủy thủ Mỹ có thể gặp phải áp lực đáng kể.

Các bản tin chỉ ra rằng hải quân Mỹ đã công khai cách chức 18 chỉ huy tiền tuyến do mất niềm tin kể từ năm ngoái, con số cao bất thường. Nhiều sĩ quan trong số này đã tham gia vào các hoạt động quân sự chống lại Trung Quốc ở những vùng biển nhạy cảm, như Biển Đông hoặc Tây Thái Bình Dương.

Vì không sử dụng đạn thật nên một số chuyên gia quân sự suy đoán rằng việc sa thải một số chỉ huy hải quân Mỹ có thể liên quan đến kết quả tiêu cực của chiến tranh điện tử.

Bước đột phá trong công nghệ sản xuất chất bán dẫn kim cương hiệu suất cao củng cố hơn nữa niềm tin hiện tại của Trung Quốc vào chiến tranh điện tử và tăng lợi thế cho nước này trong các ngành công nghệ cao, đặc biệt là truyền thông.

Thế nhưng, Trung Quốc không phải là không có sự cạnh tranh. Mitsubishi Electric (Nhật Bản) công bố vào năm 2019 rằng đã phát triển các thiết bị HEMT GaN nền kim cương trong phòng thí nghiệm, với kế hoạch sản xuất thương mại vào năm 2025.

Tuy nhiên, ngay cả khi đạt được thành tựu công nghệ tương tự, các quốc gia khác vẫn có thể gặp trở ngại khi cạnh tranh với Trung Quốc về năng lực sản xuất và chi phí.

Kim cương đã được một số nhà khoa học ca ngợi là vật liệu “bán dẫn tối ưu” vì những đặc tính vượt trội của chúng và có tiềm năng ứng dụng to lớn trong các lĩnh vực mới nổi như bộ xử lý thế hệ tiếp theo cũng như máy tính lượng tử.

Chính phủ Trung Quốc đã lên kế hoạch và đầu tư vào ngành công nghiệp kim cương nhân tạo trong gần hai thập kỷ. Ở một số tỉnh của Trung Quốc, chẳng hạn Hà Nam, các cơ sở sản xuất quy mô lớn đã được thành lập với công suất vượt xa nhu cầu kim cương hiện tại.

Một số chuyên gia trong ngành ước tính rằng Trung Quốc có thể tăng gấp ba sản lượng kim cương nếu cần.