Các nhà nghiên cứu tuyên bố phát triển chip dựa trên graphene chức năng đầu tiên

• Trong bối cảnh các giới hạn của silicon về tốc độ, nhiệt lượng tỏa ra và khả năng thu nhỏ ngày càng rõ rệt, nhóm nghiên cứu tại Georgia Tech cho rằng chất bán dẫn dựa trên graphene có thể hoạt động có thể trở thành lựa chọn thay thế cho vật liệu của máy tính hiện nay và máy tính lượng tử trong tương lai
• Trọng tâm là graphene epitaxy liên kết với silicon carbide (SiC), được nhóm nghiên cứu gọi là SEC hoặc epigraphene, và họ cho biết vật liệu này cho thấy độ linh động điện tử cao hơn silicon hiện có
• Phương pháp chế tạo là nung SiC ở trên 1.000°C để làm bốc hơi silicon trên bề mặt; chi phí thiết bị và vật liệu của quy trình được nêu ở mức khoảng 10 USD cho chip, khoảng 1 USD cho crucible và khoảng 10 USD cho quartz tube
• Các linh kiện điện tử graphene trước đây gặp khó khăn trong việc tắt hoàn toàn transistor do không có bandgap, nhưng nhóm nghiên cứu cho rằng SEC của họ có thể đạt khả năng ngắt hoàn toàn mà điện tử số yêu cầu
• Thay vì chỉ chèn vào các dây chuyền silicon hiện có, nhóm nghiên cứu nhắm tới một mô hình hậu silicon dựa trên SiC, và mức độ trưởng thành thực tế sẽ phụ thuộc lớn vào nỗ lực phát triển được đầu tư trong tương lai

---

Tuyên bố về chất bán dẫn dựa trên graphene của Georgia Tech

• Nhóm nghiên cứu tại Georgia Tech tuyên bố đã phát triển chất bán dẫn dựa trên graphene có chức năng đầu tiên trên thế giới
• Nghiên cứu được đăng ngày 3 tháng 1 trên Nature, do giáo sư vật lý Walt de Heer của Georgia Tech dẫn dắt
• Vật liệu trung tâm là graphene epitaxy — một cấu trúc tinh thể carbon liên kết hóa học với silicon carbide (SiC)
  • Nhóm nghiên cứu gọi vật liệu bán dẫn này là semiconducting epitaxial graphene, SEC, hoặc epigraphene
  • Họ cho biết SEC có độ linh động điện tử cao hơn silicon hiện tại, cho phép electron di chuyển với điện trở thấp hơn nhiều

Phương pháp chế tạo và chi phí

• Phương pháp chế tạo là phiên bản điều chỉnh của một kỹ thuật đơn giản đã được biết đến hơn 50 năm
• Khi nung SiC ở trên 1.000°C, silicon trên bề mặt sẽ bốc hơi, để lại bề mặt giàu carbon hình thành graphene
• Quy trình thực tế được tiến hành bằng cách đặt chồng hai chip SiC vào graphite crucible bên trong argon quartz tube
  • Dẫn dòng điện cao tần qua copper coil bao quanh quartz tube
  • Dùng gia nhiệt cảm ứng để làm nóng graphite crucible
  • Thời gian xử lý khoảng 1 giờ
• SEC được tạo ra theo cách này về bản chất ở trạng thái trung hòa điện tích, và khi tiếp xúc với không khí sẽ tự nhiên bị pha tạp bởi oxy
  • Pha tạp oxy có thể được loại bỏ dễ dàng bằng cách nung ở khoảng 200°C trong chân không
• Theo de Heer, chi phí là khoảng 10 USD cho chip sử dụng, khoảng 1 USD cho crucible và khoảng 10 USD cho quartz tube

Khác biệt so với các hướng tiếp cận chất bán dẫn graphene trước đây

• Từ năm 2008, người ta đã biết rằng khi nung cùng SiC trong chân không, graphene có thể được làm cho hoạt động như chất bán dẫn
• Phương pháp của de Heer được đánh giá là tạo ra khác biệt ở sự hình thành bandgap
  • Nếu áp dụng đúng phương pháp đã điều chỉnh, các liên kết sẽ hình thành rất đều đặn
  • Bài báo cho biết vật liệu cho thấy độ linh động cao
• Các linh kiện điện tử graphene trước đây gặp khó khăn trong việc bật/tắt transistor do thiếu bandgap
• Nghiên cứu trước đây nhằm biến graphene thành chất bán dẫn đã kéo dài khoảng 10 năm, trong đó có cả cách gắn nguyên tử vào graphene bằng liên kết hóa học để tạo bandgap
  • de Heer cho rằng các phương pháp trước đây tạo ra graphene bán dẫn có độ linh động thấp vì các vấn đề về cấu trúc hóa học hoặc cơ học

Giới hạn của cách tiếp cận ribbon graphene và wrinkle

• graphene ribbon từng được xem là một hướng đi đầy hứa hẹn, nhưng chỉ thể hiện tính chất bán dẫn khi có độ rộng rất cụ thể và armchair edge
  • Điều kiện đó tỷ lệ nghịch với độ rộng của ribbon
  • Ribbon phù hợp để chế tạo bằng phương pháp hóa học, sau đó cuối cùng phải được đặt chính xác lên đế và liên kết với nhau bằng metallic wire
• de Heer cho rằng công nghệ graphene nanoribbon về nguyên lý rất giống với công nghệ semiconducting carbon-nanotube
  • Ông đánh giá công nghệ carbon-nanotube vẫn chưa thành công ngay cả sau 30 năm nghiên cứu nanotube
• Cũng có cách tạo bandgap bằng cách đưa wrinkle vào graphene
  • Bandgap có thể được mở ra bằng biến dạng cơ học
  • Đã trình diễn bandgap tối đa 0,2 electron volt
  • Bandgap của silicon là 1,12 eV, lớn hơn nhiều
  • Do bandgap nhỏ, khả năng ứng dụng vẫn chưa rõ ràng, và việc thiếu thông tin về độ linh động cũng còn là vấn đề

Các ưu điểm kỹ thuật mà SEC đưa ra

• Nhóm nghiên cứu cho biết họ đã tạo ra SEC bán dẫn diện tích lớn trên các terrace SiC không khuyết tật và phẳng ở cấp độ nguyên tử
• SiC được đánh giá là vật liệu điện tử đã phát triển cao, dễ kiếm và hoàn toàn tương thích với các quy trình microelectronics hiện có
• SEC có thể cho phép transistor hoạt động ở tần số terahertz nhanh hơn 10 lần so với transistor nền silicon hiện nay
• Khác biệt cốt lõi so với graphene field-effect transistor (GFET) thương mại là việc có sử dụng graphene bán dẫn hay không
  • GFET hiện tại không dùng graphene bán dẫn nên không phù hợp với điện tử số, nơi cần transistor tắt hoàn toàn
  • Nhóm nghiên cứu cho rằng SEC của họ có thể ngắt hoàn toàn và đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của điện tử số

Giới hạn của silicon và khả năng cho điện toán lượng tử

• Chất bán dẫn là linh kiện cốt lõi của mọi thiết bị điện tử, đồng thời mang tính chất của cả vật dẫn lẫn chất cách điện
• Silicon, vật liệu bán dẫn chủ đạo hiện nay, đang tiến gần giới hạn về tốc độ, nhiệt lượng tỏa ra và khả năng thu nhỏ
• de Heer cho rằng đà phát triển nhanh trong lịch sử điện toán đang chậm lại vì những ràng buộc này của silicon
• Graphene là một lớp nguyên tử carbon sắp xếp theo mạng lục giác, được đánh giá là chất dẫn tốt hơn silicon và giúp electron di chuyển hiệu quả hơn
• Nhóm nghiên cứu cho rằng chất bán dẫn dựa trên graphene có thể đóng vai trò quan trọng trong điện toán lượng tử
  • Ở nhiệt độ rất thấp, khi dùng graphene trong thiết bị, electron thể hiện tính chất sóng lượng tử tương tự như những gì quan sát thấy ở ánh sáng
  • de Heer nói rằng graphene electronics có thể khai thác tính chất sóng lượng tử của electron và hole, điều mà silicon electronics không thể tiếp cận
• Tuy vậy, việc chất bán dẫn dựa trên graphene có thể vượt qua công nghệ superconducting hiện tại trong các máy tính lượng tử tiên tiến hay không vẫn cần thêm nghiên cứu

Hướng phát triển và các thách thức còn lại

• Nhóm Georgia Tech không hình dung việc đưa chất bán dẫn dựa trên graphene vào các dây chuyền silicon tiêu chuẩn hoặc compound semiconductor hiện có
• Mục tiêu là chuyển sang một mô hình hậu silicon sử dụng SiC
• Nhóm đang phát triển các phương pháp như phủ SEC bằng boron nitride để bảo vệ và tăng khả năng tương thích với các dây chuyền bán dẫn hiện có
• de Heer cho rằng sẽ cần thời gian để phát triển công nghệ này
  • Ông ví thành quả lần này với chuyến bay 100 m đầu tiên của anh em Wright
  • Những thành tựu sau này chủ yếu sẽ phụ thuộc vào lượng công việc được đầu tư cho phát triển

[GN⁺]

Ý kiến trên Hacker News

• Tôi có cảm giác điểm cốt lõi đã bị giấu hơi kỹ. Ở phần cuối có đoạn: “GFET (transistor graphene) hiện có không dùng graphene có tính bán dẫn, nên không phù hợp với các mạch điện tử số vốn cần tắt hoàn toàn transistor. [...] Vật liệu SEC do nhóm nghiên cứu phát triển có thể ngắt hoàn toàn, đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của mạch điện tử số”
  Theo những gì tôi từng nghe trước đây, vấn đề của transistor graphene chính là điểm này. Nó có đáp ứng phi tuyến, nhưng không thể cắt dòng điện, nên vô dụng với logic số và chỉ hữu ích trong mạch analog. Tuy vậy cũng đã khá lâu từ khi tôi đọc về chuyện này, nên có thể đã có ai đó giải quyết rồi

  • Có vẻ bạn đang nói đến vấn đề bandgap
    Có một phần giải thích khá hay về vấn đề này ở đây: https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/graphene...
    Tóm tắt phần liên quan thì GFET là transistor nhanh và hiệu quả, nhưng không có bandgap. Khi không có bandgap, dải hóa trị và dải dẫn gặp nhau ở 0 volt, khiến graphene hoạt động giống kim loại. Trong các chất bán dẫn như silicon, khoảng cách giữa hai dải này khiến chúng hoạt động như chất cách điện trong điều kiện bình thường
    Thông thường electron cần thêm năng lượng để nhảy từ dải hóa trị sang dải dẫn, và trong FET, khi không có điện áp bias, dải hoạt động như chất cách điện; điện áp bias cho phép dòng điện chạy qua. Nhưng GFET không có bandgap nên khó tắt transistor, và vì không thể tắt hoàn toàn nên tỷ lệ dòng bật/tắt chỉ khoảng 5, khá thấp cho các phép toán logic. Vì vậy nó khó dùng cho mạch số, nhưng ít thành vấn đề hơn trong mạch analog, nên phù hợp với bộ khuếch đại, mạch tín hiệu hỗn hợp, v.v.
    Nhiều nhóm nghiên cứu đang tìm cách giải quyết vấn đề bandgap này bằng các hướng như điện trở âm hoặc kỹ thuật chế tạo tổng hợp từ dưới lên
  • Nếu là transistor kiểu nửa analog thì tôi nghĩ nó có thể khá ổn cho tính toán AI. Ý tôi là các phép như nhân ma trận, sigmoid, tanh
  • Đó là phần liên quan đến bandgap mà bài viết nói tới. Nó có tồn tại, nhưng rất không ổn định

• Có câu “Kết quả là một transistor nhanh hơn 10 lần so với transistor dựa trên silicon dùng trong chip hiện nay, và có thể hoạt động ở tần số terahertz”, nhưng tôi không hiểu vì sao lại là 10 lần
  Chúng ta đang ở mức vài gigahertz một chữ số, vậy terahertz chẳng phải phải nhanh hơn khoảng 100 lần sao?

  • Tần số xung nhịp đúng là ở mức gigahertz một chữ số. Nhưng tín hiệu số phải truyền qua nhiều tầng cổng logic, nên bản thân transistor phải chuyển mạch nhanh hơn nhiều
    Nhìn sơ thì bài viết không nói rõ “terahertz” là chỉ tần số chuyển mạch hay băng thông khuếch đại (fT). Ngay hiện nay transistor có fT hàng trăm gigahertz cũng hoàn toàn khả thi
  • Tốc độ xung nhịp của máy tính số là vài GHz một chữ số, nhưng trong mạch analog, silicon cũng có thể đạt khoảng 100GHz. Ví dụ như chip radar ô tô hoặc hệ thống truyền thông
    Ở đây, chuyện THz có vẻ liên quan đến mạch analog, và có lẽ nghĩa là công nghệ mới này cao hơn khoảng 10 lần so với mức đó. Nếu muốn tìm hiểu thêm, hãy tra Fmax và Ft của transistor
  • Đó là xét trên toàn bộ chip ở mức gigahertz một chữ số, không phải xét một transistor đơn lẻ
  • Tôi không phải kỹ sư điện, nhưng rất có thể transistor hiện nay cũng có thể hoạt động ở tốc độ xung nhịp cao hơn nhiều so với chip hiện tại
    Vấn đề có lẽ là khi tích hợp chúng thật dày đặc, chúng trở nên quá nóng, nên Dennard scaling không thể tiến tới giới hạn của từng transistor riêng lẻ
  • Tần số ở cấp transistor đơn lẻ khác với tần số ở cấp chip. Mỗi giai đoạn xung nhịp chứa nhiều tầng transistor

• Quy trình sản xuất có vẻ khá thân thiện so với thảm họa sinh thái cục bộ mà silicon tạo ra
  Tuy nhiên, cạnh tranh với hệ sinh thái silicon đã phát triển suốt nửa thế kỷ thì thật sự khó. Chưa kể hiện nay nhân lực STEM cũng bị hút nhiều sang mảng phần mềm…

  • Đó chỉ là một lựa chọn hợp lý thôi. Ở các công ty bán dẫn khó kiếm được tiền khá, lĩnh vực lại hẹp, nên nếu may mắn bạn cũng chỉ bị ràng buộc vào sự thất thường của một hai công ty trong khu vực. Nếu nhà tuyển dụng cư xử tệ, bạn cũng không thể cứ bỏ ra ngoài rồi tự mở doanh nghiệp sản xuất chip được
    Phần mềm đã được dân chủ hóa hơn, và khả năng gia tăng tài sản cho gia đình cũng cao hơn nhiều. Tuy nhiên, các cơ quan quản lý tha hóa đang cố hết sức đá văng những bậc thang giúp người lao động tự đi con đường của mình. Ví dụ luật IR35 đã thay đổi ở Anh hạn chế đáng kể việc vận hành doanh nghiệp nhỏ dựa trên dịch vụ
  • Cứ đợi đến khi mở rộng quy mô và thương mại hóa, cơn ác mộng đó sẽ quay lại
    Thực tế đáng buồn là nhiều hóa chất khó chịu và kỳ lạ giúp làm rẻ hơn nhiều quy trình sản xuất và cho phép sản xuất theo lô lớn. Khi mọi giới hạn đều bị đẩy tới tận cùng và tiền cược rất lớn, khó có thể loại trừ hoàn toàn những lựa chọn như vậy

• Nếu tôi đọc đúng thì nói chính xác hơn đây là wafer graphene chứ nhỉ? Có vẻ không phải là một mạch được đặt lên đó, mà chỉ là một tấm graphene. Dù vậy vẫn rất ấn tượng, nhưng khó gọi là “chip hoạt động”

  • Đúng vậy. Có vẻ tác giả không hiểu sự khác nhau giữa chất bán dẫn và chip. Các nhà nghiên cứu nói là “chất bán dẫn hoạt động”
  • Có lẽ nhiều khả năng đó là một linh kiện đơn lẻ được tạo mẫu từ lớp graphene tăng trưởng epitaxy. Có thể là một transistor hoạt động hoặc một tập hợp transistor, nhưng nếu chỉ là một linh kiện đơn thì có thể không hữu dụng lắm
    Thông thường các linh kiện như vậy được tạo mẫu với các pad kim loại lớn để có thể đặt đầu dò, rồi đo đặc tính từ đó
  • Tôi lướt qua bài báo và paper, paper được liên kết trong bài nói rằng các nhà nghiên cứu đã đặc trưng hóa hiệu năng MOSFET
  • Khi khoa học vật liệu được giải quyết, phần khác biệt tiếp theo chỉ còn là chuyện kỹ thuật

• Toàn văn paper nghiên cứu ở đây: https://arxiv.org/pdf/2308.12446
  Họ cũng đã tạo một linh kiện chứng minh khái niệm. Trong đó có viết: “chúng tôi đã đặc trưng hóa FET SEG cổng trên được chế tạo để đo các đặc tính điện của SEG”

• Thảo luận trước đó: https://news.ycombinator.com/item?id=38912240 và https://news.ycombinator.com/item?id=38878780

• Vấn đề then chốt là liệu có thể gia công và thu nhỏ nó hiệu quả như silicon hay không. Dù vậy, như ai đó đã chỉ ra, họ đã chế tạo được transistor dựa trên vật liệu này, và cũng có tuyên bố rằng có thể dùng nguyên quy trình đang dùng cho silicon, nên hy vọng mọi chuyện sẽ suôn sẻ

  • Đúng vậy. Đã có những chất bán dẫn chuyển mạch nhanh hơn nhiều so với loại dựa trên silicon, nhưng chúng chỉ chiếm khoảng 10% toàn bộ vấn đề
    Còn có nhiều yếu tố hơn rất nhiều, như công nghệ thu nhỏ, thiết bị fab, chuyên môn của kỹ sư và nhà khoa học trong lĩnh vực đó, các lớp và giao diện giữa chất dẫn/chất bán dẫn/chất cách điện, v.v. Thật tốt khi nghe về những tiến bộ bên ngoài hệ sinh thái silicon hiện có, nhưng rất khó để đẩy silicon sang một bên chỉ vì “vật liệu tốt hơn”. Để chuyển sang một stack công nghệ mới, có lẽ cần một lợi thế mang tính cách mạng so với công nghệ hiện tại, chẳng hạn mức cải thiện 100 lần
  • Chip dựa trên silicon phụ thuộc vào các lớp oxide và lớp kim loại để kết nối các transistor. Chỉ từ bài viết thì chưa rõ điều đó sẽ hoạt động thế nào trong các linh kiện dựa trên graphene
    Đây cũng từng là vấn đề với chip dựa trên GaAs. Wikipedia về GaAs viết rằng “lợi thế lớn thứ hai của Si là sự tồn tại của lớp oxide tự nhiên dùng làm chất cách điện, tức silicon dioxide (SiO2)”
  • Ngay cả nếu không đạt đến mức đó, một MOSFET có thể xử lý dòng điện cao đến phi lý mà không cần tản nhiệt thì cũng đã tuyệt vời rồi

• Nếu mô tả là “bước gia nhiệt này được thực hiện bằng cách xếp chồng hai chip SiC trong một chén nung graphite, rồi đặt nó vào trong ống thạch anh chứa argon. Sau đó, cho dòng điện cao tần chạy qua cuộn dây đồng quanh ống thạch anh để gia nhiệt cảm ứng chén nung graphite”, thì rốt cuộc chẳng phải là dùng lò ống sao?
  de Heer nói rằng “chip chúng tôi dùng có giá khoảng 10 đô la, chén nung khoảng 1 đô la, ống thạch anh khoảng 10 đô la”, nhưng lò ống không có giá 10 đô la, trừ khi họ tự chế nó và không tính vào chi phí thiết bị trị giá hàng nghìn đô la vốn đã có sẵn xung quanh

  • Đó là nói về giá vật tư tiêu hao dùng trong quy trình. Có thể suy ra là còn cần nhà xưởng, điện, nhân viên và nhiều thứ khác nữa

• Vấn đề luôn nằm ở khả năng mở rộng và thiết bị. Nếu không tận dụng hạ tầng hiện có thì khả năng thành công thấp

  • Tôi nghĩ cũng có vấn đề căn bản trong việc dùng carbon cho tính toán. Thực ra carbon không nhiều đến vậy, và phần lớn carbon chúng ta có đều cần cho hóa học hữu cơ giúp chúng ta tồn tại
    Để tham khảo, carbon chiếm khoảng 0,18% khối lượng Trái Đất, trong khi silicon là 27,7%. Trên Mặt Trăng về cơ bản không có carbon, còn lớp đất mặt có 20% là silicon

• Liệu có ngách nào cần chip siêu tốc mà chip dựa trên silicon không đáp ứng được không? Tôi cũng tò mò liệu có thị trường nào đủ khả thi để một công ty nhỏ chỉ sản xuất số lượng ít, hay nó chỉ khả thi khi sản xuất quy mô lớn

  • Tất nhiên là có. Ví dụ, switch mạng có nhu cầu gần như vô hạn về tốc độ xử lý