Transistor đã thu nhỏ máy tính như thế nào?
Vì sao máy tính từ cỡ căn phòng thu lại vừa lòng bàn tay?
Ở bài trước, đèn điện tử đã giải được một bài toán lớn: bật và tắt tín hiệu điện đủ nhanh để máy tự tính.
Nhưng nó sinh ra một bài toán khác. ENIAC cần khoảng 18.000 đèn điện tử.
Mỗi bóng to cỡ ngón tay, phải nung nóng mới chạy, và phải được lắp vào máy như một linh kiện riêng. Muốn máy mạnh hơn bằng cách thêm đèn, máy chỉ càng to, càng nóng.
Muốn đi tiếp, cần một loại công tắc khác.
Máy tính đã co lại bao nhiêu?
Số công tắc tăng khoảng 1,5 triệu lần. Còn thứ chứa chúng co từ một căn phòng xuống một miếng silicon nhỏ hơn lòng bàn tay.
Để đi được quãng đó, phải giải hai bài toán:
- Làm ra một công tắc nhỏ hơn và ít tốn điện hơn đèn điện tử.
- Tìm cách làm ra hàng tỷ công tắc cùng lúc, thay vì lắp từng cái.
Transistor giải bài toán thứ nhất. Quang khắc giải bài toán thứ hai.
Một mẩu silicon lúc dẫn điện, lúc không
Đồng dẫn điện rất tốt. Nhựa gần như không dẫn điện.
Một công tắc cần thứ nằm giữa hai loại đó: lúc thì cho điện qua, lúc thì chặn lại, và ta điều khiển được lúc nào.
Silicon làm được điều đó. Pha vào silicon một lượng rất nhỏ nguyên tố khác, khả năng dẫn điện của nó thay đổi. Vì vậy silicon được gọi là chất bán dẫn (semiconductor).
Trên silicon, kỹ sư tạo ra một công tắc cực nhỏ gọi là transistor. Loại nằm trong chip ngày nay là MOSFET, có thể hình dung gồm:
- source và drain: hai đầu mà dòng điện cần đi qua
- vùng silicon nằm giữa hai đầu, bình thường không cho điện qua
- gate (cổng): cực điều khiển nằm phía trên vùng giữa
- một lớp cách điện rất mỏng, ngăn gate chạm vào silicon
Gate không chạm vào dòng điện. Nó chỉ tạo ra điện trường, và điện trường đó quyết định vùng silicon bên dưới có cho điện qua hay không.
Nhưng một điện trường làm được điều đó bằng cách nào?
Gate bật tắt transistor thế nào?
Thử mô phỏng dưới đây.
Đổi điện áp ở Gate, rồi nhìn vùng silicon giữa Source và Drain.
Không có điện áp ở gate thì không có kênh dẫn, electron không qua được.
Khi gate chưa có đủ điện áp, giữa source và drain không có đường dẫn. Transistor tắt.
Khi điện áp ở gate đủ lớn, điện trường hút electron dồn về sát bề mặt silicon ngay dưới gate. Chúng tạo thành một kênh dẫn rất mỏng nối source với drain, và dòng điện chạy qua. Transistor bật.
Không bánh răng nào phải quay. Không miếng kim loại nào phải bật qua bật lại. Không sợi đốt nào phải nung đỏ.
Transistor bật tắt chỉ bằng cách thay đổi điện áp.
Transistor hơn đèn điện tử ở đâu?
| Đèn điện tử | Transistor | |
|---|---|---|
| Điều khiển dòng điện bằng | điện áp ở grid, trong bóng chân không | điện trường từ gate, trên silicon |
| Phải nung nóng | có | không |
| Kích thước | cỡ ngón tay | trong chip thì nhỏ tới mức mắt không thấy |
| Điện tiêu thụ | lớn, ENIAC dùng khoảng 150 kW | ít hơn rất nhiều |
| Chỗ dễ hỏng | sợi đốt, bóng thuỷ tinh | không có sợi đốt |
| Làm hàng loạt trên một tấm silicon | không | có |
Năm dòng đầu cho thấy transistor là một công tắc tốt hơn. Dòng cuối mới là thứ làm máy tính co lại.
Một transistor nhỏ vẫn chưa đủ nếu phải cầm từng cái, đặt xuống, nối dây, rồi lặp lại vài tỷ lần. Không ai làm CPU theo cách đó được.
Không thể lắp tay hàng tỷ transistor
Làm từng transistor một thì quá chậm. Một con chip hiện đại có hàng tỷ cái, và nhà máy phải làm ra hàng triệu con chip.
Lối thoát là làm song song: tạo ra thật nhiều transistor trong cùng một lần, thay vì lần lượt từng cái.
- lắp từng cái: transistor 1 → transistor 2 → … → transistor thứ 28 tỷ
- làm song song: hình của một lớp → cả vùng chip cùng lúc → lặp khắp tấm silicon → lớp tiếp theo
Cách làm này gọi là quang khắc (photolithography). Tên của nó nói gần đúng việc nó làm:
- photo: ánh sáng
- lithography: tạo hình lên một bề mặt
Quang khắc dùng ánh sáng để chuyển một hình vẽ cực nhỏ lên tấm silicon.
Người ta hay nói gọn là “in” transistor lên silicon. Chữ “in” dễ gây hiểu nhầm: không có chiếc máy nào đóng hình 28 tỷ transistor xuống silicon một lần là xong. Chip được xây từng lớp một, và mỗi lớp cần một lần quang khắc.
Vậy một lần quang khắc diễn ra thế nào?
Máy quang khắc giống một máy chiếu cực kỳ chính xác
Hãy hình dung một chiếc máy chiếu. Thay vì chiếu phim lên tường, nó chiếu hình của một lớp mạch lên tấm silicon.
Ánh sáng đi qua bốn phần chính:
- Nguồn sáng
- Khuôn mạch (reticle): tấm khuôn chứa hình cần tạo
- Hệ thấu kính: thu nhỏ hình trên khuôn
- Lớp nhạy sáng (photoresist): lớp phủ trên tấm silicon, nơi hình được chiếu xuống
Ta đi từ dưới lên, bắt đầu từ tấm silicon.
Tấm silicon: nền để làm chip
Mọi thứ bắt đầu từ một tấm silicon tròn, tiếng Anh gọi là wafer. Tấm silicon cho chip hiện đại thường có đường kính khoảng 300 mm.
Trên một tấm có thể làm hàng chục đến hàng trăm con chip cùng lúc, tuỳ kích thước mỗi chip.
Lúc mới vào nhà máy, tấm này chỉ là silicon trơn. Để ánh sáng tạo được hình trên đó, bề mặt phải có thứ gì phản ứng với ánh sáng.
Lớp nhạy sáng: nơi ánh sáng để lại dấu
Tấm silicon được phủ một lớp hoá chất rất mỏng gọi là lớp nhạy sáng (photoresist). Chỗ nào bị ánh sáng chiếu vào thì lớp này ở chỗ đó đổi tính chất hoá học, giống phim chụp ảnh.
Cách phủ phổ biến: nhỏ chất lỏng lên giữa tấm silicon rồi quay tấm thật nhanh. Lực quay trải chất lỏng thành một lớp mỏng và đều.
░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░ ← lớp nhạy sáng
──────────────────── ← lớp vật liệu cần tạo hình
████████████████████ ← siliconLúc này lớp nhạy sáng ở đâu cũng giống nhau. Muốn nó mang hình của mạch, ánh sáng phải bị chặn ở một số chỗ và lọt qua ở chỗ khác.
Khuôn mạch: hình của một lớp mạch
Việc chặn sáng do khuôn mạch đảm nhận, tiếng Anh gọi là reticle hoặc mask. Khuôn vẽ sẵn hình cần tạo cho một bước của một lớp: chỗ vẽ chặn ánh sáng, chỗ trống cho ánh sáng lọt qua.
Một khuôn không chứa cả CPU. Khuôn này xác định các vùng transistor, khuôn khác dùng cho một lớp dây kim loại. Một con chip có thể cần tới khoảng 100 hình khác nhau như vậy.
Hình trên khuôn vẫn còn quá lớn so với chi tiết cần tạo. Nó phải được thu nhỏ trước khi chạm tới tấm silicon.
Ánh sáng mang hình xuống tấm silicon
Ánh sáng đi qua khuôn mạch, rồi qua hệ thấu kính. Hệ thấu kính thu nhỏ và hội tụ hình xuống lớp nhạy sáng. Ở máy quang khắc hiện đại, hình trên tấm silicon thường nhỏ hơn hình trên khuôn bốn lần.
nguồn sáng
↓
khuôn mạch hình lớn
↓
hệ thấu kính thu nhỏ
↓
lớp nhạy sáng
─────────────
tấm silicon hình nhỏMáy không chiếu cả tấm silicon trong một lần. Nó chiếu một vùng nhỏ, chứa một con chip hoặc một nhóm chip, rồi bàn dịch chuyển đẩy tấm silicon sang vùng kế tiếp. Trên một tấm, cùng một hình được chiếu ở gần 100 chỗ. Vì cách làm này, máy quang khắc còn được gọi là stepper hoặc scanner.
Thử mô phỏng dưới đây. Bấm vào từng bộ phận để xem nó làm gì, rồi bấm “Lớp tiếp theo” để chiếu từng vùng, hoặc “Chiếu hết lớp” để chiếu nốt cả lớp.
Lớp 1/5: vùng transistor · đã chiếu 0/16 vùng
Bấm vào từng bộ phận của máy để xem nó làm gì, hoặc bấm “Chiếu hết lớp”.
Máy lặp lại: căn vị trí → chiếu → dịch tấm silicon → chiếu tiếp. Xong một lớp thì đổi khuôn mạch và làm lại.
Nhưng chiếu sáng xong, trên tấm silicon vẫn chưa có transistor nào.
Chiếu sáng xong vẫn chưa có transistor
Lúc này hình mới chỉ nằm trong lớp nhạy sáng, dưới dạng những vùng đã đổi tính chất hoá học.
Tấm silicon đi qua bước tráng rửa (develop). Một phần lớp nhạy sáng tan đi, phần còn lại thành một khuôn đục lỗ cực nhỏ nằm trên tấm silicon:
████ ██████ ████ ← lớp nhạy sáng còn lại
────────────────────────── ← lớp vật liệu bên dướiChỗ còn lớp nhạy sáng được che lại. Qua những chỗ hở, nhà máy tác động xuống lớp bên dưới:
- khắc (etching): ăn mòn bỏ vật liệu ở chỗ không được che
- cấy ion (ion implantation): bắn hạt mang điện vào silicon để đổi khả năng dẫn điện ở đúng những vùng đó
Lớp vật liệu bị khắc thường được phủ (deposition) lên tấm silicon từ trước khi quang khắc: một lớp cách điện, lớp kim loại hay lớp bán dẫn mỏng.
Sau đó lớp nhạy sáng được bóc đi. Hình đã nằm hẳn trong lớp vật liệu:
████ ██████ ████ ← lớp vật liệu sau khi khắcĐó mới là một vòng quang khắc, cho một bước của một lớp. Một con chip đi qua vòng này hàng trăm lần.
Một con chip là nhiều lớp chồng lên nhau
Một transistor cần nhiều vùng khác nhau: source, drain, gate, lớp cách điện. Mỗi vùng cần những vòng quang khắc riêng.
Rồi hàng tỷ transistor còn phải được nối với nhau. Phía trên chúng là các lớp dây kim loại xếp chồng, ở chip tiên tiến có thể tới 15 lớp, nối xuống transistor qua các chân contact:
Dây kim loại 3 ═══╗ ╔══
Dây kim loại 2 ═══╬══════╝
Dây kim loại 1 ═╦═╝ ╔═══
Contact ║ ║
Transistor ▣▣▣ ▣▣▣
Silicon ───────────────Quy trình này giống xây một toà nhà từng tầng hơn là in một bức ảnh.
Mỗi lớp mới phải nằm đúng vị trí trên lớp cũ. Lệch một khoảng cực nhỏ, transistor hoặc dây nối có thể không chạy. Máy quang khắc tiên tiến nhất đặt hai lớp lệch nhau chưa tới 2 nanomet.
Vì vậy máy quang khắc không chỉ phải vẽ nhỏ. Nó còn phải đặt hình mới chính xác lên hình cũ.
Còn một câu hỏi nữa: vẽ nhỏ đến mức nào thì được?
Muốn vẽ nhỏ hơn, cần ánh sáng có bước sóng ngắn hơn
Ánh sáng không vẽ được chi tiết nhỏ vô hạn. Yếu tố quan trọng nhất quyết định chi tiết nhỏ nhất là bước sóng của ánh sáng. Hệ thấu kính và cách xử lý cũng góp phần, nhưng ở đây ta chỉ theo bước sóng.
Bước sóng càng ngắn, chi tiết vẽ được càng nhỏ.
Vì vậy các đời máy quang khắc dùng ánh sáng có bước sóng ngày càng ngắn:
| Nguồn sáng | Bước sóng |
|---|---|
| đèn thuỷ ngân, ánh sáng xanh | 436 nm |
| đèn thuỷ ngân, tia cực tím | 365 nm |
| laser tia cực tím sâu (DUV) | 248 nm, rồi 193 nm |
| tia cực tím cực ngắn (EUV) | 13,5 nm |
EUV ngắn hơn DUV hơn 14 lần, và được dùng cho những chip tiên tiến nhất hiện nay. Nhưng ở bước sóng đó, việc làm máy khó lên rất nhiều:
- EUV bị gần như mọi thứ hấp thụ, kể cả không khí, nên đường đi của ánh sáng phải nằm trong chân không
- thấu kính cũng hấp thụ EUV, nên máy không dùng thấu kính mà dùng gương nhiều lớp phản xạ cực kỳ chính xác
Máy quang khắc hiện đại vì thế không còn giống một chiếc máy chiếu. Nó gần giống một nhà máy thu nhỏ nằm trong một cỗ máy.
Từ 2.300 lên 28 tỷ transistor
Vẽ được chi tiết nhỏ hơn thì cùng một diện tích silicon chứa được nhiều transistor hơn.
| Chip | Năm | Số transistor |
|---|---|---|
| Intel 4004 | 1971 | 2.300 |
| Intel 486 | 1989 | 1,2 triệu |
| Apple M4 | 2024 | 28 tỷ |
Bấm lần lượt các nút trong mô phỏng dưới, từ trái sang phải, và nhìn mỗi ô bằng bao nhiêu transistor.
mỗi ô = 1 transistor
Một công tắc bật tắt được bằng điện.
- 1 · Một công tắc bật tắt được bằng điện.
- 10 · Đủ ghép vài cổng logic nhỏ. Cổng NOT chỉ cần hai.
- 1.000 · Vẫn chưa bằng nửa con số 2.300 của Intel 4004.
- 1 triệu · Gấp hơn 400 lần Intel 4004.
- 1 tỷ+ · CPU của máy tính và điện thoại ngày nay đặt nhiều nhân, cache lớn và mạch đồ hoạ trên cùng một con chip.
- CPU · Các khối trên chip đều là transistor, chỉ khác cách nối.
Từ bậc một triệu, mỗi ô đã phải chứa cả nghìn transistor thì hình mới vẽ nổi.
Đây là miếng silicon của một chip 486 dưới kính hiển vi.
Vậy transistor đã thu nhỏ máy tính như thế nào?
Không chỉ vì transistor nhỏ hơn đèn điện tử. Máy tính co lại nhờ hai thứ đi cùng nhau:
- transistor cho một công tắc cực nhỏ, không cần nung, ít tốn điện, bật tắt rất nhanh
- quang khắc cho cách tạo hàng tỷ công tắc đó song song, lặp khắp tấm silicon, xây từng lớp chồng lên nhau
Có transistor mà không làm hàng loạt được, chip vẫn không chứa nổi hàng tỷ công tắc. Có quang khắc mà không có transistor bán dẫn, cũng chẳng có công tắc nhỏ nào để tạo.
Hai thứ đó đưa máy tính từ khoảng 18.000 công tắc trong một căn phòng xuống hàng chục tỷ công tắc trên một miếng silicon.
Nhưng một transistor thì làm được gì?
Chưa được gì nhiều.
Một transistor chỉ cho dòng điện qua hoặc chặn lại. Nó không biết số 5 là gì, không cộng được 5 với 3, không so được hai số.
Các khối trên con chip 486 làm được việc vì transistor được nối với nhau theo đúng cách. Nối vài transistor lại, ta được một thứ gọi là cổng logic, và từ đó 0 với 1 bắt đầu thành phép tính.
Vậy nối vài transistor lại với nhau thì làm được gì?