Trong thế giới công nghệ có những phát hiện không chỉ phản ánh một xu hướng còn dẫn dắt cả ngành công nghiệp trong nhiều thập kỷ. Định luật Moore là một trong số đó. Từ khi được đề xuất vào những năm 1960 định luật này đã trở thành kim chỉ nam cho sự phát triển của ngành công nghiệp bán dẫn đặc biệt là trong thiết kế chế tạo chip xử lý. Tuy không phải là một định luật vật lý nhưng định luật Moore đã ảnh hưởng sâu sắc đến cách các nhà sản xuất xây dựng chiến lược công nghệ phát triển sản phẩm trong thời đại kỹ thuật số.
Định luật Moore là gì cùng nguồn gốc ra đời
Định luật Moore được đặt theo tên của Gordon Moore đồng sáng lập tập đoàn Intel. Vào năm 1965 khi còn là giám đốc kỹ thuật tại Fairchild Semiconductor, ông quan sát thấy rằng số lượng bóng bán dẫn có thể tích hợp trên một vi mạch tăng gấp đôi sau mỗi khoảng hai năm trong khi chi phí sản xuất mỗi đơn vị lại giảm. Dự đoán này ban đầu được coi là một xu hướng kỹ thuật nhưng nó nhanh chóng được chấp nhận rộng rãi như một quy luật phát triển của ngành công nghiệp bán dẫn.
Mặc dù bản thân Moore sau này điều chỉnh thời gian từ một năm xuống hai năm để phù hợp với thực tế, định luật vẫn giữ nguyên tinh thần cốt lõi. Đó là hiệu suất vi xử lý tăng lên theo cấp số nhân, còn giá thành sản xuất lại giảm đi theo thời gian.
Ý nghĩa thực tiễn của định luật Moore
Định luật này không chỉ là một dự đoán mà còn đóng vai trò như một mục tiêu mà các nhà sản xuất chip luôn hướng đến. Nó tạo ra áp lực cũng đồng thời khuyến khích đổi mới không ngừng trong ngành công nghệ bán dẫn. Trong hàng chục năm các hãng như Intel, AMD, TSMC hay Samsung đều theo đuổi mục tiêu tăng mật độ bóng bán dẫn trong khi giảm kích thước cải tiến hiệu suất.
Nhờ vậy sức mạnh xử lý của máy tính cá nhân, điện thoại thông minh, thiết bị đeo, các hệ thống điều khiển công nghiệp đã tăng lên vượt bậc. Từ những bộ vi xử lý có hàng nghìn bóng bán dẫn trong thập niên 1970 hiện nay các con chip hiện đại đã chứa tới hàng chục tỷ bóng bán dẫn chỉ trong một diện tích nhỏ bằng đầu ngón tay.
Định luật Moore không chỉ giúp máy tính trở nên mạnh hơn mà còn khiến chúng nhỏ hơn tiết kiệm điện hơn lại rẻ hơn. Làm nền tảng cho sự bùng nổ của công nghệ số từ mạng internet đến trí tuệ nhân tạo từ thực tế ảo đến xe tự lái.
Các yếu tố kỹ thuật hỗ trợ định luật Moore
Để duy trì xu hướng tăng mật độ bóng bán dẫn như định luật Moore mô tả, ngành bán dẫn đã phải liên tục đổi mới về công nghệ chế tạo vi mạch. Một trong những bước tiến quan trọng là thu nhỏ kích thước tiến trình sản xuất. Các tiến trình như 90 nanomet, 45 nanomet, 7 nanomet, mới nhất là 3 nanomet phản ánh khoảng cách ngày càng nhỏ giữa các bóng bán dẫn.
Song song đó là việc cải tiến vật liệu bán dẫn thay đổi kiến trúc mạch tích hợp sử dụng kỹ thuật sản xuất mới như in thạch bản cực tím sâu. Những đột phá này cho phép tích hợp nhiều bóng bán dẫn hơn trên cùng một diện tích mà không làm tăng mức tiêu thụ điện năng hay nhiệt lượng tỏa ra.
Ngoài ra sự kết hợp giữa các công nghệ điện toán song song, đa nhân, kỹ thuật đóng gói tiên tiến cũng giúp mở rộng hiệu năng mà vẫn duy trì xu hướng chi phí thấp hơn, đúng như tinh thần ban đầu của định luật Moore.
Những thách thức trong việc duy trì định luật
Mặc dù định luật Moore đã đúng trong nhiều thập kỷ nhưng các chuyên gia đều cho rằng nó không thể kéo dài mãi mãi. Khi các bóng bán dẫn trở nên cực kỳ nhỏ, chúng bắt đầu chạm đến giới hạn vật lý của vật liệu bán dẫn hiện nay. Việc thu nhỏ tiếp theo không chỉ khó khăn về mặt kỹ thuật mà còn tăng chi phí sản xuất lên rất cao.
Ngoài ra các hiệu ứng lượng tử bắt đầu ảnh hưởng đáng kể khi kích thước bóng bán dẫn tiệm cận quy mô nguyên tử. Hiện tượng rò rỉ dòng điện nhiễu tín hiệu giới hạn về tản nhiệt đặt ra những thách thức lớn cho việc duy trì tốc độ phát triển như trước.
Chính vì vậy một số nhà nghiên cứu cho rằng định luật Moore đang dần chậm lại. Chu kỳ tăng gấp đôi bóng bán dẫn không còn giữ nguyên tốc độ như xưa. Tuy nhiên, điều này không đồng nghĩa với việc ngành công nghiệp bán dẫn ngừng phát triển. Thay vì thuần túy thu nhỏ kích thước, các công ty đang chuyển hướng sang các công nghệ kiến trúc mới như chiplet, điện toán neuromorphic, máy tính lượng tử.
Hướng đi tương lai sau định luật Moore
Khi định luật Moore không còn là tiêu chuẩn tuyệt đối, ngành công nghệ đang tìm kiếm các hướng đi mới để tiếp tục đà phát triển. Một trong những chiến lược là kết hợp nhiều con chip nhỏ thành một hệ thống lớn gọi là kiến trúc chiplet. Cách tiếp cận này không nhất thiết phải thu nhỏ bóng bán dẫn mà tập trung vào hiệu suất tổng thể.
Một xu hướng khác là thay đổi cách xử lý thông tin. Thay vì sử dụng kiến trúc truyền thống von Neumann, các nhà nghiên cứu đang phát triển chip mô phỏng hoạt động của não người. Đây là nền tảng của điện toán thần kinh giúp xử lý dữ liệu với mức tiêu thụ năng lượng cực thấp và tốc độ cao phù hợp với các ứng dụng trí tuệ nhân tạo.
Ngoài ra, điện toán lượng tử được xem là hướng đi mang tính cách mạng. Thay vì xử lý dữ liệu theo các bit nhị phân thông thường, máy tính lượng tử sử dụng qubit với khả năng biểu diễn nhiều trạng thái cùng lúc. Dù còn ở giai đoạn thử nghiệm nhưng tiềm năng của công nghệ này có thể vượt xa giới hạn mà định luật Moore từng vạch ra.
Định luật Moore là một trong những động lực mạnh mẽ nhất thúc đẩy sự phát triển của công nghệ trong hơn nửa thế kỷ qua. Không chỉ mô tả xu hướng tăng trưởng của mật độ bóng bán dẫn còn định hình cách mà các công ty công nghệ lên kế hoạch sản xuất đổi mới.
Dù đang tiến dần đến giới hạn vật lý nhưng tinh thần của định luật Moore vẫn sống trong những cải tiến công nghệ hiện đại. Từ những con chip nhỏ bé đến các hệ thống điện toán mạnh mẽ tất cả đều phản ánh hành trình dài của sự sáng tạo không ngừng nghỉ trong lĩnh vực công nghệ bán dẫn.