Trong nhiều năm, giới kỹ thuật bán dẫn coi ngưỡng 1 nanomet như một bức tường vật lý. Dưới mức đó, transistor tiếp cận kích thước của vài nguyên tử đơn lẻ, nơi các nguyên tắc vật lý lượng tử bắt đầu cản trở hoạt động ổn định của thiết bị. Tuần này, IBM công bố đã vượt qua ngưỡng đó với chip 0,7 nanomet, tức 7 angstrom, đầu tiên trên thế giới, được trình bày chính thức tại hội nghị VLSI 2026.

Để hình dung độ nhỏ của 0,7 nanomet, đây là khoảng cách chỉ bằng vài nguyên tử, nhỏ hơn 100.000 lần so với đường kính một sợi tóc người. Ở kích thước này, bản thân cấu trúc nguyên tử của vật liệu bắt đầu định hình giới hạn của kỹ thuật. Không phải máy móc hay quy trình sản xuất mà là vật lý nguyên tử là thứ IBM đang đối mặt và vừa tìm ra cách vượt qua.

Ảnh IBM

Chìa khóa nằm ở một kiến trúc hoàn toàn mới mà IBM đặt tên là nanostack. Trong suốt lịch sử phát triển chip bán dẫn, transistor được sắp xếp theo mặt phẳng nằm ngang, cách thu nhỏ chip chủ yếu là làm cho từng transistor nhỏ hơn và nhét nhiều hơn vào cùng diện tích. Nanostack đảo ngược logic đó. Thay vì dàn transistor ra theo chiều ngang, IBM xếp chúng chồng lên nhau theo chiều đứng và so le nhau trong không gian ba chiều. Điều này cho phép nhét nhiều transistor hơn vào cùng diện tích bề mặt mà không cần thu nhỏ từng transistor xuống mức vật lý cực hạn.

Điểm tinh tế hơn là mỗi lớp trong cấu trúc xếp chồng đó có thể dùng vật liệu khác nhau, tối ưu riêng cho tốc độ hoặc tiết kiệm điện thay vì áp dụng một công thức duy nhất cho toàn bộ chip như kiến trúc cũ. Giám đốc nghiên cứu IBM Jay Gambetta mô tả: "Chúng tôi không chỉ làm transistor nhỏ hơn mà đang tái thiết kế cách chip được xây dựng để cung cấp nhiều hiệu năng và hiệu quả năng lượng hơn đáng kể."

Ảnh IBM

Kết quả đo lường được rất ấn tượng. Chip 0,7nm nhét gần 100 tỷ transistor trên diện tích bằng móng tay, gần gấp đôi mật độ so với chip 2nm IBM ra mắt năm 2021. So với chip 2nm đó, phiên bản mới mang lại hiệu năng cao hơn tới 50% hoặc tiết kiệm điện hơn tới 70% tùy cách cấu hình, trong khi bộ nhớ SRAM tích hợp nhỏ hơn 40%, điều đặc biệt quan trọng vì chip AI thường phải chờ bộ nhớ là nguyên nhân hạn chế tốc độ lớn nhất.

Bề rộng phần vảy của bóng bán dẫn chỉ khoảng 15 hàng nguyên tử Silic xếp chồng lên nhau

Với những thông số đó, ứng dụng thực tế trải rộng từ điện thoại thông minh và laptop tiêu thụ ít điện hơn đáng kể đến máy chủ AI và trung tâm dữ liệu có thể chạy các mô hình lớn hơn trong cùng ngân sách điện năng. Đây là điểm đặc biệt có giá trị khi ngành AI đang đối mặt với áp lực tiêu thụ điện ngày càng khó kiểm soát.

IBM cho biết đang đặt mục tiêu đưa công nghệ này vào sản xuất đại trà trong vòng 5 năm tới, với cơ sở nghiên cứu tại Albany, New York đang trang bị thêm máy quang khắc EUV khẩu độ cao của ASML, thiết bị cần thiết để in mạch điện ở độ phân giải nguyên tử. IBM dự báo kiến trúc nanostack mở ra lộ trình thu nhỏ chip ổn định ít nhất thêm một thập kỷ, tức ngành bán dẫn chưa chạm đến giới hạn tuyệt đối như nhiều người từng lo ngại.