Cơ hội ngàn năm có một

Việc Rapidus bắt đầu sản xuất hàng loạt chip bán dẫn 2 nanomet — loại chip mang trong mình tiềm năng khổng lồ — là một bước tiến có ý nghĩa vô cùng to lớn. Như đã nói ở phần trước, Rapidus có “giáo trình” là IBM, và vì vậy họ không phải lo lắng quá nhiều về giai đoạn khởi đầu. Hơn nữa, đây đang là thời điểm có thể nói là “ngàn năm có một” đối với Nhật Bản — một cơ hội hiếm có đang mở ra. 

Tại sao lại nói như vậy? Bởi vì những năm gần đây, ngành công nghiệp bán dẫn đang bước vào một giai đoạn chuyển đổi lớn về cấu trúc của transistor. Trước đây, transistor có cấu trúc phẳng (Planar FET), sau đó tiến hóa sang cấu trúc lập thể FinFET, giúp thúc đẩy quá trình thu nhỏ kích thước. Giờ đây, ngành lại đang chuẩn bị chuyển sang cấu trúc “Gate-All-Around (GAA)”, một thế hệ hoàn toàn mới. 

Biểu đồ 2-3: Cấu trúc của transistor đang ở bước ngoặt

Trong cấu trúc Planar FET, như được minh họa ở biểu đồ 2-3, transistor bao gồm ba phần chính:

• Source (nguồn) – nơi cung cấp electron,

• Drain (cực thoát) – nơi nhận electron,

• Gate (cổng) – nằm ở giữa, được ngăn cách bằng một lớp cách điện.

Khi áp một điện áp nhất định vào Drain, nếu Gate chưa được cấp điện, dòng electron giữa Source và Drain không chảy, tức là ở trạng thái “tắt” (off).
Ngược lại, khi Gate được cấp điện, giữa Source và Drain sẽ hình thành một kênh dẫn (channel) cho electron đi qua — lúc này transistor chuyển sang trạng thái “bật” (on).

Tuy nhiên, khi quá trình thu nhỏ (miniaturization) tiến triển và chiều dài cổng (gate length) ngày càng ngắn, dòng rò (leak current) giữa Source và Drain bắt đầu xuất hiện, khiến việc kiểm soát dòng điện bằng Gate trở nên khó khăn. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng kênh ngắn (short-channel effect) — và nó từng là một vấn đề nan giải.

Chính trong bối cảnh đó, cấu trúc FinFET đã ra đời. Ý tưởng ban đầu của cấu trúc này xuất phát từ nghiên cứu của ông Hisamoto Hiroshi thuộc Trung tâm nghiên cứu điện tử của Viện nghiên cứu trung ương Hitachi, người đã phát triển khái niệm “transistor 3D dạng delta” vào năm 1989. FinFET có hình dạng với các cực Source và Drain nhô lên như vây cá (fin), vì thế mà nó được đặt tên như vậy. Nhờ cấu trúc này, kênh dẫn (channel) được bao quanh từ ba hướng (phải, trái và trên), giúp giảm đáng kể dòng rò. 

FinFET lần đầu tiên được thương mại hóa vào năm 2011, khi Intel áp dụng nó trong chip bán dẫn 2 nanomet của mình — 22 năm sau khi khái niệm này được công bố. Tuy nhiên, do FinFET là cấu trúc ba chiều, nên quy trình sản xuất phức tạp hơn nhiều và chi phí cũng cao hơn. Hơn nữa, khi tiếp tục thu nhỏ xuống mức nanomet thấp hơn, hiệu suất của FinFET bắt đầu có dấu hiệu chững lại.