Chip 1nm đang ở đâu?

Thu nhỏ chip là thử thách kĩ thuật mà giới công nghệ luôn muốn vượt qua. Kích thước càng nhỏ giúp nhồi nhét càng nhiều bóng bán dẫn (đóng vai trò “tế bào thần kinh” của vi xử lí) hơn trên cùng diện tích. Số lượng bóng bán dẫn tăng lên khiến chip xử lí được nhiều lệnh phức tạp hơn.

Khoảng cách vật lí giữa các bóng bán dẫn thu hẹp tạo điều kiện cho tín hiệu truyền đi ngắn hơn, giảm thời gian truyền dữ liệu qua đó tăng tốc độ tính toán tổng thể.

Linh kiện đặt sát nhau cần ít năng lượng hơn để đẩy dòng điện qua lại, giảm lượng điện tiêu thụ. Điện năng tiêu thụ thấp đồng nghĩa với việc chip tỏa ra ít nhiệt hơn, đảm bảo hiệu năng lẫn độ an toàn khi hoạt động.

Chip nhỏ đi mở rộng không gian bên trong thiết bị, cho phép tích hợp linh kiện khác như viên pin hay cụm camera lớn hơn.

3nm đang ở đỉnh cao, kỉ nguyên 2nm mới bắt đầu

Tiến trình 3nm hiện là “xương sống” cho hầu hết thiết cao cấp nhất trên thị trường với độ ổn định tuyệt đối và sản lượng tối ưu.

Tiêu biểu là chip A18 tiêu chuẩn lẫn bản Pro của Apple được sản xuất trên tiến trình 3nm thế hệ hai (N3E) của TSMC, tối ưu hóa hiệu năng AI chạy ngay trên thiết bị và kiểm soát nhiệt. Còn iPad Pro, Macbook Pro sử dụng M4 3nm tự phát triển.

Qualcomm Snapdragon 8 Gen 4 lẫn 8 Elite đứng đầu danh sách chip xử lí cho thiết bị Android, cũng đem lại bước nhảy vọt về đồ họa di động nhờ nền tảng 3nm chuyên sâu.

MediaTek cạnh tranh song phẳng với Qualcomm bằng chip Dimensity cũng 3nm. Xiaomi cũng không đứng ngoài cuộc đua, tự phát triển chip XRING 03.

Bước sang năm 2026, tiến trình 2nm mở ra kỉ nguyên vi xử lí mới. Chip chuyển đổi từ cấu hình bóng bán dẫn FinFET truyền thống sang kiến trúc GAA (Gate-All-Around) giúp giải quyết triệt để hiện tượng rò rỉ điện năng ở quy mô nguyên tử.

Apple nhanh tay bao trọn phần lớn năng lực sản xuất 2nm ban đầu của TSMC cho dòng chip A20. Vi xử lí này hứa hẹn tăng 10 - 15% tốc độ xử lí cũng như giảm 25 - 30% điện năng tiêu thụ so với thế hệ tiền nhiệm.

Qualcomm Snapdragon 8 Elite Gen 6 Pro cùng MediaTek Dimensity 9600 thì đang trong lộ trình thiết kế khóa đuôi (design lock-in) để kịp tiến trình sản xuất hàng loạt 2nm.

Bên cạnh Exynos 2600 tự phát triển, Samsung mới đây tạo thêm bất ngờ lớn khi đạt tỉ lệ xuất xưởng (yield rate) 2nm ổn định, thành công kí hợp đồng trị giá gần 50 tỉ USD với Tesla để sản xuất chip xử lý AI thế hệ mới A16.

Tiến bộ trong phát triển tiến trình 1nm

Nỗ lực thu nhỏ chip chắc chắn không dừng lại, với kích thước mục tiêu tiếp theo là 1nm hứa hẹn tăng hiệu năng và tiết kiệm năng lượng hơn nữa.

Hãng IBM vừa công bố phát triển thành công công nghệ chế tạo chip ở tiến trình 0,7nm (kiến trúc xếp chồng 3 chiều Nanostack kết hợp nhiều loại vật liệu bán dẫn) – đánh dấu bước tiến dưới 1nm đầu tiên. Con chip tích hợp khoảng 100 tỉ bóng bán dẫn trong diện tích chỉ tương đương một móng tay. Mật độ gần gấp đôi so với chip 2nm mà IBM từng giới thiệu năm 2021.

Chuyển từ kiến trúc phẳng sang kiến trúc xếp chồng đặt ra yêu cầu khắt khe về công nghệ chế tạo. Quy trình sản xuất trở nên phức tạp hơn đáng kể, đòi hỏi độ chính xác cực cao trong kiểm soát từng lớp vật liệu và kết nối giữa các tầng linh kiện.

IBM đặt mục tiêu thương mại hóa công nghệ 1nm trong vòng 5 năm tới. Hãng cho biết Nanostack là nền tảng công nghệ phổ quát có thể áp dụng cho nhiều loại vi xử lý khác nhau, từ CPU, GPU cho đến chip dành cho thiết bị di động.

Đại học Bắc Kinh tại Trung Quốc cũng tạo ra transistor (linh kiện cơ bản của mọi chip máy tính) nhỏ nhất và tiết kiệm điện nhất thế giới với kích thước chỉ 1nm. Họ sử dụng một loại vật liệu đặc biệt gọi là ống nano carbon kim loại để làm cổng điều khiển. Cổng này khi được giảm xuống kích thước cực nhỏ sẽ tạo ra hiệu ứng tập trung điện trường giúp tăng cường độ, nhờ vậy mà transistor chỉ cần điện áp 0,6V để hoạt động thay vì trên 1,5V như lâu nay.

Tốc độ xử lí cực kì nhanh: thực hiện một lệnh chỉ mất 1,6 nano giây. Loại transistor này có khả năng vừa lưu trữ dữ liệu vừa tính toán ngay tại chỗ, thay vì phải di chuyển dữ liệu qua lại giữa bộ nhớ với bộ xử lí như hiện nay.

Về phía các đơn vị sản xuất, TSMC đang xây dựng nhà máy chuyên về quy trình 1nm và dự kiến bắt đầu thử nghiệm vào năm 2029. Samsung đặt mục tiêu hoàn tất nghiên cứu vào năm 2030 và chính thức sản xuất hàng loạt chip 1nm bằng kiến trúc mới (Forksheet) vào năm 2030 hoặc 2031.

Intel gọi tiến trình 1nm của mình là Intel 10A và đang hướng tới lộ trình phát triển thử nghiệm vào năm 2028, trước khi có thể thương mại hóa hoàn toàn.

Tân binh bán dẫn Rapidus cũng tham vọng nhảy vọt từ 2nm lên thẳng tiến trình 1nm với mục tiêu sản xuất vào năm 2029.

Với tiến triển trên, dự kiến cần khoảng 4 - 5 năm nữa thì chip 1nm mới có thể chính thức xuất hiện trên thị trường.

Thách thức khi thu nhỏ chip hơn nữa

Đầu tiên là giới hạn vật lí. Ở kích thước 1nm (chỉ bằng khoảng 5 nguyên tử xếp cạnh nhau), dòng điện rất dễ bị rò rỉ do hiệu ứng đường hầm lượng tử.

Ngoài ra nếu muốn thu nhỏ chip, các đơn vị sản xuất phải chuyển từ kiến trúc GAA hiện tại sang kiến trúc phức tạp hơn như Forksheet.

Cuối cùng việc xây dựng nhà máy tương thích tiến trình 1nm tiêu tốn hàng chục tỉ USD cho thiết bị quang khắc thế hệ mới High-NA EUV.

Thách thức kĩ thuật không dễ vượt qua, đòi hỏi phải có tiến bộ về công nghệ vật liệu lẫn chế tạo.

Còn với vấn đề chi phí đầu tư ban đầu lớn, liên minh bán dẫn là giải pháp khả thi. Trung tâm nghiên cứu bán dẫn lớn nhất thế giới tại Bỉ (IMEC) là nơi các đối thủ như Intel, TSMC, Samsung, ASML cùng bỏ vốn lẫn nhân lực vào để nghiên cứu công nghệ nền tảng 1nm, sau đó chia sẻ bản quyền. Ngoài ra Mỹ cùng châu Âu còn ban hành đạo luật hỗ trợ tài chính xây nhà máy thế hệ mới.

Thiết bị có cần chip 1nm?

Hầu hết thiết bị thông thường hiện tại hoạt động tốt với chip 2nm hoặc lớn hơn, nhưng hạ tầng tương lai chắc chắn cần đến.

Các mô hình trí tuệ nhân tạo thế hệ mới như GPT-6, GPT-7 hay siêu trí tuệ AGl đòi hỏi năng lực tính toán khổng lồ. Chip 1nm giúp tăng mật độ bóng bán dẫn, xử lí nhiều dữ liệu hơn mà không làm tiền điện của trung tâm dữ liệu tăng vọt.

Siêu máy tính cũng phải sở hữu vi xử lí tiên tiến hơn để dự báo thời tiết toàn cầu, phục vụ nghiên cứu hạt nhân, giả lập vũ trụ hay giải mã bộ gien người…

Kính thông minh muốn gọn nhẹ mà vẫn hiển thị được hình ảnh 3D theo thời gian thực thì chip phải cực kì nhỏ, mạnh mẽ nhưng không tỏa nhiệt gây nóng mặt người đeo.

Điện thoại thông minh cần chip 1nm để chạy tính năng AI trực tiếp trên thiết bị mà không làm pin hao hụt nhanh. Xe tự lái cấp độ cao không thể thiếu một “bộ não” đủ sức xử lí hàng triệu dữ liệu cảm biến mỗi giây để đưa ra quyết định phanh/lái ngay lập tức nhằm đảm bảo an toàn.

Tuy nhiên, máy tính cá nhân thông thường chẳng đòi hỏi cao đến vậy. Chip 3nm hay 5nm hiện tại đã quá dư thừa cho tác vụ lướt web, xem phim, làm đồ họa cơ bản. Thiết bị nhà thông minh (tủ lạnh, điều hòa, camera giám sát) cũng chỉ cần chip tiến trình cũ (từ 14nm đến 28nm) để tối ưu chi phí vì chúng không cần xử lí thuật toán phức tạp.