NGÀNH CÔNG NGHIỆP BÁN DẪN VẪN TIẾP TỤC TIẾN HOÁ VỚI TỐC ĐỘ CAO

Vào cuối thế kỷ 19, những phát minh nền tảng của công nghệ thông tin đã xuất hiện như bóng đèn của T.A Edison, điện thoại của G. Bell, truyền thông không dây của G. Marconi và ống tia âm cực của F. Braun. Chúng chính là điểm xuất phát cho sự phát triển như vũ bão của công nghệ bán dẫn xuyên suốt thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21.
Ở đây, chúng ta sẽ theo dõi quá trình phát triển của bán dẫn từ sự ra đời của ống chân không cho đến siêu máy tính và khám phá xuyên suốt lịch sử những phát minh mang tính cách mạng, từ đó có thể đưa ra cái nhìn tổng quan về những phát triển trong tương lai.

1904

Phát minh ra ống chân không

Thomas Alva Edson / John Ambrose Fleming

Năm 1884, Thomas Edison, trong khi làm việc với bóng đèn sợi đốt sử dụng dòng điện một chiều của mình, đã chèn một tấm kim loại giữa các sợi đốt đang phát sáng. Ông quan sát thấy điện sẽ chảy từ cực dương của sợi đốt đến tấm kim loại, nhưng không phải từ cực âm. Ông không hiểu tại sao lại như vậy và coi hiệu ứng này (bây giờ được gọi là hiệu ứng Edison) như một sự tò mò. Vô tình, ông đã tạo ra Diode đầu tiên – một thiết bị chỉ cho dòng điện chạy theo 1 chiều. JA Fleming đưa nguyên lý này vào ứng dụng thực tế ở dạng ống chân không đóng vai trò quan trọng trong các mạch điện tử.

1946

Chiếc máy tính đa năng đầu tiên trên thế giới “ENIAC” được công bố.

ENIAC

Tổng trọng lượng khoảng 30 tấn, ENIAC – chiếc máy điện tử lớn nhất trong lịch sử, sử dụng khoảng 18.000 ống chân không và được đặt trong một căn phòng rộng khoảng 160m². Tổng số linh kiện mạch của ENIAC là khoảng 110.000. Ngược lại, các bộ vi xử lý ngày nay có hàng chục triệu Transistor và đủ nhỏ để nằm gọn trong lòng bàn tay của bạn. Đây chính là hiệu quả của việc thay thế ống chân không bằng chất bán dẫn cho các mạch điện tử.

1948

1948: Phát minh ra Transistor lưỡng cực (Bipolar transistor – BJT)

Transistor / William Bradford Shockley

Vào cuối năm 1947, John Bardeen và Walter Brattain của Phòng thí nghiệm AT&T Bell đã phát minh ra Transistor tiếp xúc điểm (Point-contact transistor) đầu tiên. William Shockley và các đồng nghiệp của ông tiếp tục nghiên cứu và công bố phát minh ra Transistor lưỡng cực tháng 6 năm 1948. Các Transistor sau này phát triển thành các mạch tích hợp (Integrated Circuit – IC), hoặc lớn hơn nữa là các mạch tích hợp quy mô lớn (Large Scale Integration – LSI), giúp tăng mức độ tích hợp từ 1.000 ~ 100.000 phần tử hoặc nhiều hơn nữa.

1955

1955: Đài radio bán dẫn đầu tiên của Nhật Bản ra đời

Transistor Radio / Sony

Đài radio bán dẫn thay thế các đài radio trước đây sử dụng ống chân không bằng Trasistor, làm cho chúng nhỏ hơn, nhẹ hơn và tiêu thụ ít điện năng hơn. TR-55 được phát hành vào năm 1955 bởi Tokyo Tsushin Kogyo (hiện là SONY). Đồng thời việc nghiên cứu nhằm cải thiện hiệu suất thông lượng (FPY) trong quá trình sản xuất Transistor đã dẫn đến việc phát hiện ra “hiệu ứng đường hầm lượng tử”.

1957

1957: Phát minh ra Diode Esaki

Esaki Diode / Leona (Leo) Esaki

Năm 1957, Leona Esaki (江崎玲於奈), người đang tiến hành nghiên cứu nhằm tăng tốc độ của Transistor, đã tạo ra một cấu trúc trong đó lớp cách điện giữa hai loại chất bán dẫn là 10 nm hoặc nhỏ hơn và phát hiện ra “hiệu ứng đường hầm” (Tunnelling Effect) của các electron trong chất bán dẫn. Linh kiện bán dẫn đầu tiên được tạo ra bằng cách sử dụng “hiệu ứng đường hầm” này là Diode Esaki – Diode đường hầm – Diode Tunnel. Đây là một trong những hạt giống chính cho công nghệ LSI sau này.

1959

1959: Nộp đơn đăng ký “Bằng sáng chế Kilby”

Jack St. Clair Kilby

“Bằng sáng chế Kilby” là bằng sáng chế cơ bản cho mạch tích hợp bán dẫn được phát minh bởi JS Kilby của Texas Instruments (TI). Cho đến khi bằng sáng chế hết hạn vào năm 2001, nó đã mang lại thu nhập đáng kể cho TI. Tại Nhật Bản, nơi mà bằng sáng chế bị trì hoãn, một số sản phẩm phải trả phí cấp phép lớn.

1965

1965: “Định luật Moore” được công bố

Gordon Moore

Ban đầu Gordon Moore phát biểu định luật như sau: “Số lượng Transistor trên mỗi đơn vị inch vuông sẽ tăng lên gấp đôi và giá sẽ giảm một nửa sau mỗi 24 tháng.” Năm 2000 con số 24 tháng được công nhận và sửa đổi thành 18 tháng. “Mật độ tích hợp của LSI sẽ tăng gấp đôi sau 1,5 năm, gấp bốn lần sau ba năm và 1.000 lần sau 15 năm”.

Định luật Moore cũng là một động lực kích thích cho ngành công nghiệp điện tử duy trì sự phát triển mạnh mẽ trong hàng thập kỷ qua. Lịch sử thực tế cũng đã diễn biến gần như đúng theo quy luật này.

1971

1971: Intel 4004 ra mắt

i4004 / Masatoshi Shima

Intel 4004 là bộ vi xử lý đơn chip 4 bit đầu tiên trên thế giới.
Theo đơn đặt hàng của Tập đoàn Busicom Corp (Nhật Bản) nhằm phát triển LSI cho máy tính cầm tay, T. Hoff của Tập đoàn Intel đã đề xuất i4004 như một thiết bị logic đa năng, và Masatoshi Shima của Tập đoàn Busicom và F. Fagin của Tập đoàn Intel đã đi đầu trong việc hoàn thành i4004. Tập đoàn Intel nhận thấy tính linh hoạt của bộ vi xử lý này nên đã tìm cách giành được quyền thương mại sản phẩm này, trong khi Busicom đã bị phá sản vào năm 1974 (Một sự đáng tiếc rất lớn của Busicom nhưng cũng thể hiện sự “cáo già” của các tập đoàn Hoa Kỳ).

1977

Máy tính cá nhân – PC đầu tiên trên thế giới “Apple Ⅱ” ra mắt

Personal Computer / Apple

Người ta thường nói rằng máy tính cá nhân đầu tiên (Personal Computer) trên thế giới là Altair 8800. Tuy nhiên, Altair 8800 lại tự quảng cáo là “máy tính mini – mini computer” và có các tên gọi khác như “máy vi tính – micro computer” hay “máy tính gia đình – home computer”. Ngược lại, Steve Jobs của Apple lại gọi Apple Ⅱ là “máy tính cá nhân”. Với sự thành công của Apple II, cái tên này đã được giữ vững và công nhận.

1980

1980: Phát minh bộ nhớ Flash

Flash Memory / Fujio Masuoka

(Ảnh mang tính chất minh hoạ)

Bộ nhớ bán dẫn bất biến có khả năng ghi lại và lưu giữ dữ liệu ngay cả khi tắt nguồn, ra đời từ ý tưởng giảm chi phí xuống dưới 1/4 bằng cách xóa tất cả thông tin cùng một lúc thay vì từng bit một.
Bộ nhớ flash được phát minh vào năm 1980 bởi Fujio Masuoka (lúc đó là nhân viên của Toshiba) và hiện nay đã trở thành thứ không thể thiếu trong mọi thiết bị điện tử xung quanh chúng ta, bao gồm máy tính, điện thoại di động, máy ảnh kỹ thuật số và thẻ IC.

1983

1983: Máy tính gia đình ra mắt

Family Computer / Nintendo

(Ảnh mang tính chất minh hoạ)

Những tiến bộ trong công nghệ bán dẫn cũng đã cách mạng hóa phong cách giải trí gia đình. Năm 1983, Nintendo phát hành Family Computer, một máy chơi game gia đình được trang bị CPU 8 bit. Phần mềm nổi tiếng của công ty là Super Mario Bros, đã thành công bùng nổ. Dựa trên đà phát triển này, năm 1990, Super Famicom, được trang bị CPU 16-bit, cũng được ra mắt. Kể từ đó, với sự ra đời của máy chơi game di động có thể cầm trong lòng bàn tay, hiệu suất của máy chơi game tại nhà tiếp tục được cải thiện.

1991

1991: Khám phá ống nano carbon

Carbon Nanotube / Sumio Iijima

Sự phát triển của chất bán dẫn không thể không đề cập đến sự tiến bộ của công nghệ nano. Việc Sumio Iijima phát hiện ra ống nano carbon vào năm 1991 là một sự kiện mang tính biểu tượng. Do mật độ dòng điện cao gấp hơn 1.000 lần so với đồng và đặc tính tản nhiệt tuyệt vời nhờ đặc tính nhiệt điện cao gấp 10 lần so với đồng, nó được kỳ vọng sẽ trở thành vật liệu sau silicon trong tiếp tục thu nhỏ chất bán dẫn.

1993

1993: Thương mại hóa Diode phát sáng xanh

GaN LED / Shuji Nakamura

Diode phát sáng là nguồn sáng có thể được điều khiển với công suất thấp, vì vậy chúng được kỳ vọng nhiều trong ứng dụng sản xuất màn hình. Vào năm 1993, khi tập đoàn Nichia Chemical và Shuji Nakamura (中村修二) đưa điốt phát sáng màu xanh lam vào sử dụng thực tế, các phần tử phát sáng cho ba màu cơ bản của ánh sáng (đỏ, lục và lam) đã ra đời, tạo ra khả năng hiển thị RGB đầy đủ màu sắc. Nó không thể thiếu đối với những chiếc đầu ghi DVD đời mới nhất.

1995

Năm 1995, Sharp cho ra mắt TV tinh thể lòng (LCD) “Window”

Flat Panel TV / Sharp

Năm 1982, Epson phát hành đồng hồ kỹ thuật số LCD (loại phản chiếu 1,2 inch) đầu tiên trên thế giới.
Từ năm 1984, bắt đầu tiếp thị TV bỏ túi (loại trong suốt 1,2 inch) sử dụng tinh thể lỏng màu TFT (Thin Film Transistor). Tuy nhiên, với việc Sharp cho ra đời TV 10,4 inch có thể nói là chiếc TV LCD cỡ lớn đầu tiên.

2002

2002 “Earth Simulator” kỷ lục tốc độ nhanh nhất thế giới 35,86 TFLOPS

Super Computer / Earth Simulator

Earth Simulator, do Cục Khoa học và Công nghệ Nhật Bản (lúc đó) dẫn đầu, là một siêu máy tính song song kiểu vectơ (Vector Supercomputer) được sử dụng để mô phỏng sự thay đổi khí hậu toàn cầu và các cơ chế biến dạng địa tầng và vỏ trái đất. Vào 6/2022, hiệu suất hiệu quả là 35,86 TFLOPS đã được ghi nhận trong tiêu chuẩn LINPACK. Với sức mạnh xử lý xấp xỉ 36 nghìn tỷ phép tính dấu phẩy động mỗi giây, nó đã đứng đầu bảng xếp hạng TOP500 thế giới trong khoảng ba năm, chênh lệch gấp 5 lần so với vị trí thứ hai là IBM ASCI White.
Khi đó, Mỹ gọi đó là Computonic Shock, so sánh với Sputnik Shock của Liên Xô (nay là Nga) là quốc gia đầu tiên phóng thành công vệ tinh nhân tạo, đưa siêu máy tính thành một dự án quốc gia và đưa Hoa Kỳ trở lại vị trí số 1 thế giới sau 3 năm.

2004

2004: Thí nghiệm thành công thu được Graphene

Graphene / Andre Geim

Konstantin Novoselov

Graphene, một tấm nguyên tử carbon hình tổ ong, đang thu hút sự chú ý bởi dự đoán là một công nghệ quan trọng hậu silicon. Sự tồn tại của nó đã được dự đoán vào những năm 1940, nhưng thực tế nó được phát hiện lần đầu tiên bởi Andrei Geim và Konstantin Sergeevich Novoselov bằng cách gắn các mảnh than chì vào băng giấy bóng kính và bóc chúng ra. Graphene dự kiến ​​sẽ được dứng dụng cho pin mặt trời hiệu suất cao và màn hình cảm ứng (Touche panel) có độ nhạy cao.

2007

Năm 2007, Apple ra mắt iPhone

Smartphone / Steve Jobs

iPhone, được Steve Jobs công bố vào ngày 09/01/2007, đã thay đổi hoàn toàn thế giới điện thoại di động. Ông đã gọi iPhone là thiết bị trỏ (Pointing Device) tốt nhất thế giới. iPhone có màn hình LCD rộng 3,5 inch với bảng điều khiển cảm ứng đa điểm tích hợp, mang lại sự thao tác dễ dàng và cả tính linh hoạt cao.

2010

Năm 2010, Apple ra mắt iPad

iPad / Steve Jobs

iPad là thiết bị mang tính cách mạng thứ tư sau Macintosh, iPod và iPhone của Apple, được Steve Jobs công bố vào ngày 27/01/2010. Theo ông, đây là thiết bị thông tin cảm ứng đa điểm nằm giữa laptop và điện thoại thông minh. Nó là nhân tố chủ chốt trong chiến lược tích hợp truyền thông mà Jobs đã hình dung và cũng đóng vai trò là con át chủ bài để chinh phục thị trường tiêu dùng.

2011

Vào tháng 11/2011, siêu máy tính K đạt tốc độ nhanh nhất thế giới, 10 PFLOPS.

Super Computer / K Computer

Siêu máy tính thế hệ tiếp theo “K”, được Bộ Giáo dục, Văn hóa, Thể thao, Khoa học và Công nghệ phát triển, đã đạt được 8,16 PFLOPS trên điểm chuẩn LINPACK vào tháng 6/2011, khiến nó trở thành máy tính Nhật Bản đầu tiên được xếp hạng trong TOP500 danh sách kể từ  thời siêu máy tính “Earth Simulator”. Sau khi giành lại vị trí số một, K của Nhật Bản đã đạt được 10 PFLOPS vào tháng 11 cùng năm, chiếm lại vị trí số một với sức mạnh xử lý thực hiện 1 triệu tỷ phép tính dấu phẩy động mỗi giây. Tính đến tháng 3/2012, K tiếp tục duy trì vị trí số một này. (LINPACK là thư viện phần mềm của các phép tính đại số tuyến tính, được sử dụng để xếp hạng TOP500 những máy tính tốc độ cao trên toàn thế giới).

2013

2013: Bắt đầu thử nghiệm sản phẩm Google Glass

VR (Virtual Reality) / AR (Augmented Reality)

VR/AR là công nghệ cho phép con người cảm nhận môi trường nhân tạo do máy tính tạo ra dựa trên thông tin họ cảm nhận được trong thế giới thực. Trong khi VR tạo ra môi trường ảo (nhân tạo) từ CG (Computer Graphic), thì AR phủ hình ảnh và CG lên thế giới thực để tăng cường hiệu ứng thực tế. Vào những năm 2000, với sự phổ biến của máy tính và điện thoại thông minh, VR/AR bắt đầu được sử dụng trong các dịch vụ dành cho người tiêu dùng phổ thông. Vào năm 2013, Google bắt đầu quá trình thử nghiệm sản phẩm kính thực tế ảo “Google Glass”.

2015

Năm 2015, Ken Sakamura nhận được Giải thưởng kỷ niệm ITU150

IoT (Internet of Things)

Ý tưởng cài đặt bộ vi xử lý và cảm biến vào nhiều vật thể khác nhau và kết nối chúng với Internet đã được thảo luận từ những năm 1980. Nhà khoa học máy tính Ken Sakamura gọi điều này là Điện toán phổ biến (Ubiquitous Computing) và đề xuất hệ thống máy tính mở TRON (Open Architecture Computer System – TRON). Kể từ khoảng năm 2014, người ta thường gọi nó là IoT (Internet of Things). IoT dự kiến ​​sẽ cải thiện đáng kể hiệu quả công nghiệp và mở rộng lĩnh vực kinh doanh. Năm 2015, Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) đã trao cho Ken Sakamura Giải thưởng Kỷ niệm 150 năm thành lập ITU.

Đôi điều từ Admin: Khi tôi thiết kế hệ điều hành nhúng cho một thế hệ Robot bán dẫn mới của công ty tôi làm việc tại Nhật Bản (2010), tôi đã tìm hiểu sâu về hệ điều hành (HĐH) thời gian thực TRON. Đây là một HĐH xuất sắc và hoàn toàn có khả năng đánh bại HĐH Windows (Microsoft) và Linux nếu được hỗ trợ đầy đủ bởi chính phủ Nhật. Thế nhưng bởi một vài lý do của thế giới ngầm (được cho là sức ép từ chính phủ và các tập đoàn công nghệ Hoa Kỳ cùng với sự quan liêu từ chính phủ Nhật) TRON đã dần bị lụi tàn, và như mọi người đã biết Microsoft đã phát triển HĐH Windows thống trị toàn cầu như ngày nay.

2016

Năm 2016, AlphaGo đánh bại kỳ thủ cờ vây chuyên nghiệp

AI (Artificial Intelligence)

Năm 1956, Hội nghị Dartmouth đã đề cập tới định nghĩa lĩnh vực AI (trí tuệ nhân tạo). Những năm 1980 cùng với sự phát triển mạnh mẽ của Cơ sở dữ liệu thương mại các hoạt động đầu tư vào nghiên cứu AI trở nên tích cực hơn. Trong những năm gần đây, với sự cải thiện mạnh mẽ về sức mạnh xử lý của máy tính, AI sử dụng deep learning đã xuất hiện và có thể nhận ra các mối quan hệ và khuôn mẫu trong dữ liệu lớn theo thời gian thực, điều mà con người không thể xử lý được.
Năm 2016, AI AlphaGo do DeepMind phát triển đã đánh bại kỳ thủ cờ vây chuyên nghiệp mạnh nhất thế giới vào thời điểm đó.

2022

Sự xuất hiện của ChatGPT.

OpenAI / ChatGPT

ChatGPT (Chat Generative Pre-training Transformer), là một chatbot do công ty OpenAI của Mỹ phát triển và ra mắt vào tháng 11/2022. Chỉ sau vài tuần ra mắt AI này đã đạt hơn 10 triệu người dùng. Cùng với sự bùng nổ của AI, hãng bán dẫn NVIDIA với sản phẩm chip GPU thích hợp với nhiều AI khác nhau đã đạt doanh số kỷ lục vào năm 2023.

Marcus Nguyen