Cơ bản về Bán dẫn & Cấu trúc Chip

Bán dẫn là vật liệu có tính dẫn điện nằm giữa chất dẫn điện (như đồng) và chất cách điện (như cao su). Đặc tính quan trọng nhất của nó là khả năng kiểm soát dòng điện chạy qua, làm nền tảng cho mọi thiết bị điện tử hiện đại.

Pha tạp là quá trình cố ý thêm một lượng rất nhỏ các nguyên tố khác (tạp chất) vào một tinh thể bán dẫn tinh khiết (như silicon) để thay đổi tính chất điện của nó. Việc này tạo ra các electron tự do (loại N) hoặc các "lỗ trống" (loại P).

Một transistor MOSFET, loại phổ biến nhất, có ba cực: Source, Drain và Gate. Bằng cách đặt một điện áp nhỏ vào cực Gate, chúng ta có thể tạo ra hoặc đóng một "kênh" dẫn điện giữa Source và Drain, cho phép dòng điện chạy qua (trạng thái BẬT) hoặc không (trạng thái TẮT). Hàng tỷ công tắc siêu nhỏ này tạo nên logic của một con chip.

Đây là cấu trúc cơ bản nhất của mọi linh kiện bán dẫn, được tạo ra khi ghép một miếng bán dẫn loại P và một miếng loại N lại với nhau. Nó có đặc tính chỉ cho phép dòng điện chạy theo một chiều duy nhất, là nguyên lý hoạt động của diode và là nền tảng của transistor.

CPU (Central Processing Unit) được thiết kế để thực hiện một vài tác vụ phức tạp một cách nhanh chóng (tuần tự). GPU (Graphics Processing Unit) được thiết kế để thực hiện hàng ngàn tác vụ đơn giản cùng một lúc (song song). Cấu trúc này ban đầu dành cho đồ họa, nhưng lại cực kỳ hiệu quả cho các tính toán của AI.

Các chi tiết trên một con chip có kích thước siêu nhỏ, chỉ vài nanomet. Một hạt bụi nhỏ cũng có thể gây ra lỗi chập mạch và làm hỏng cả con chip. Phòng sạch là môi trường được kiểm soát cực kỳ nghiêm ngặt, có mức độ bụi thấp hơn hàng ngàn lần so với không khí bên ngoài.

Định luật Moore đang chậm lại. Việc thu nhỏ transistor ngày càng khó khăn và tốn kém hơn khi chúng ta tiến gần đến giới hạn vật lý của nguyên tử silicon. Ngành công nghiệp đang tìm kiếm các giải pháp mới như kiến trúc 3D (chiplet) và các vật liệu mới để tiếp tục tăng hiệu năng.

Số lượng transistor trên các con chip hiện đại là rất lớn. Ví dụ, chip Apple M2 Ultra có khoảng 134 tỷ transistor. Chip GPU Nvidia H100 dành cho AI có khoảng 80 tỷ transistor.

Đây là khâu cuối cùng trong chuỗi sản xuất bán dẫn, đòi hỏi nhiều lao động và có vốn đầu tư thấp hơn so với việc xây dựng nhà máy chế tạo (fab). Đây là một bước đi chiến lược để Việt Nam tham gia vào chuỗi cung ứng toàn cầu, tích lũy kinh nghiệm và từng bước tiến lên các công đoạn có giá trị cao hơn như thiết kế.

Các ngành học phù hợp bao gồm: Kỹ thuật Điện-Điện tử, Vật lý Kỹ thuật, Khoa học Vật liệu, Kỹ thuật Hóa học, và gần đây là các chuyên ngành mới về Thiết kế Vi mạch hoặc Công nghệ Bán dẫn tại các trường đại học kỹ thuật hàng đầu.