Đột Phá Công Nghệ: Pháp Sư Trung Hoa Phát Minh Transistor GAAFET Tiết Kiệm Năng Lượng

Gần đây, một nhóm nghiên cứu từ Đại học Bắc Kinh, dưới sự dẫn dắt của Giáo sư Peng Hailin và Qiu Chenguang, đã công bố một phát minh mang tính cách mạng trong lĩnh vực công nghệ bán dẫn: transistor GAAFET (Gate-All-Around Field-Effect Transistor) hai chiều (2D) đầu tiên trên thế giới, với khả năng tiết kiệm năng lượng vượt trội. Kết quả nghiên cứu này đã được đăng tải trên tạp chí Nature, một trong những ấn phẩm khoa học hàng đầu, và được nhiều thành viên trong nhóm mô tả là “một đột phá vĩ đại”. Phát minh này không chỉ đánh dấu một bước tiến quan trọng trong công nghệ bán dẫn mà còn mở ra cơ hội cho Trung Quốc vượt qua những rào cản do lệnh cấm vận công nghệ từ Mỹ.

Để hiểu rõ hơn về phát minh này, trước tiên chúng ta cần tìm hiểu về khái niệm GAAFET. Transistor GAAFET là thế hệ tiếp theo của công nghệ transistor, được phát triển từ các thiết kế MOSFET và FINFET, hai công nghệ đã chiếm ưu thế trong ngành bán dẫn suốt nhiều thập kỷ. Sự tiến bộ trong công nghệ transistor chủ yếu dựa vào khả năng kiểm soát tốt hơn mối quan hệ giữa nguồn (source) và cổng (gate). MOSFET chỉ có cổng tiếp xúc nguồn trên một mặt phẳng, trong khi FINFET mở rộng lên ba mặt phẳng, giúp cải thiện hiệu suất ở các quy trình nhỏ hơn. GAAFET, với thiết kế bao quanh hoàn toàn nguồn bằng cổng, tối ưu hóa khả năng kiểm soát dòng điện và giảm thiểu hiện tượng rò rỉ, điều này cực kỳ quan trọng khi sản xuất chip ở quy mô 3nm trở xuống.

Điểm nổi bật trong nghiên cứu của nhóm Đại học Bắc Kinh không chỉ nằm ở khái niệm GAAFET mà còn ở việc họ đã sử dụng vật liệu hai chiều (2D) thay vì silicon truyền thống. Họ đã chọn Bi₂O₂Se (bismuth oxyselenide), một chất bán dẫn 2D đã được nghiên cứu nhiều năm nhờ khả năng duy trì tính linh hoạt và độ bền ở quy mô nhỏ hơn 1nm. Khác với silicon, vốn gặp khó khăn trong việc duy trì độ linh động của hạt dẫn khi xuống dưới 10nm, Bi₂O₂Se cho phép tạo ra các transistor mỏng hơn và hiệu quả hơn, mở ra kỷ nguyên Angstrom (dưới 1nm) cho ngành bán dẫn.

Giáo sư Peng Hailin khẳng định: “Đây là transistor nhanh nhất và hiệu quả nhất từ trước đến nay.” Nhóm nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm thiết bị này so với các sản phẩm từ Intel, TSMC, Samsung và các hãng khác trong điều kiện hoạt động tương đương. Kết quả cho thấy transistor 2D GAAFET của họ nhanh hơn 40% và tiêu thụ ít hơn 10% năng lượng so với chip silicon 3nm tiên tiến nhất hiện nay. Peng ví von: “Nếu đổi mới dựa trên vật liệu hiện có là ‘đường tắt’, thì việc phát triển transistor 2D của chúng tôi giống như ‘đổi làn đường’,” nhấn mạnh sự thay đổi mang tính cách mạng trong cách tiếp cận công nghệ.

Đột phá này đặc biệt quan trọng đối với Trung Quốc trong bối cảnh cuộc chiến công nghệ Mỹ-Trung. Do các lệnh cấm vận từ Mỹ, Trung Quốc đã bị cắt đứt khỏi công nghệ quang khắc EUV (Extreme Ultraviolet Lithography), một công cụ thiết yếu để sản xuất chip ở các quy trình nhỏ mà thế giới đã áp dụng gần một thập kỷ qua. Thay vì chỉ cố gắng bắt kịp, Trung Quốc đã đầu tư mạnh vào nghiên cứu để “vượt rào”, và sản phẩm X90 của Huawei hay transistor 2D GAAFET này là minh chứng rõ ràng cho nỗ lực đó. Việc chuyển từ silicon sang bismuth không chỉ là một giải pháp kỹ thuật mà còn là một chiến lược dài hạn để cạnh tranh ở đỉnh cao công nghệ bán dẫn.

Transistor 2D GAAFET của Đại học Bắc Kinh không chỉ là một thành tựu học thuật. Nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc chế tạo các đơn vị logic nhỏ với hiệu suất cao ở điện áp thấp, cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tế của công nghệ này. Tuy nhiên, câu hỏi đặt ra là liệu công nghệ này có thể trở thành tương lai của ngành bán dẫn hay không. Việc mở rộng sản xuất quy mô lớn sẽ đòi hỏi phải vượt qua nhiều rào cản, từ tối ưu hóa quy trình chế tạo đến giảm chi phí – những yếu tố mà silicon đã thống trị nhờ sự phát triển qua hàng thập kỷ.

Dù vậy, phát minh này thể hiện tinh thần đổi mới mạnh mẽ từ các nhà khoa học trẻ Trung Quốc. Trong khi Mỹ chuẩn bị siết chặt hơn các lệnh cấm vận, bao gồm cả công nghệ GAAFET, Trung Quốc đang chạy đua với thời gian để tự chủ và dẫn đầu trong lĩnh vực công nghệ. Nếu thành công, bismuth oxyselenide có thể mở ra một kỷ nguyên mới cho chip siêu nhỏ, siêu tiết kiệm năng lượng, đặc biệt trong các lĩnh vực như trí tuệ nhân tạo, điện toán biên, và bộ nhớ mật độ cao.