Ban đầu, transistor được chế tạo với mục đích chính là để thay thế cho các hệ khuyếch đại điện tử dùng ống chân không với mục đính chính là khuyếch đại tín hiệu điện trong liên lạc viễn thông. Ngay trong ba nhà phát minh ra transistor đầu tiên, Bardeen và Brattain lúc bấy giờ cũng không thấy được vai trò của transistor đối với máy tính, chỉ có Shockley đã hình dung ngay từ năm 1949 rằng transistor sẽ đóng vai trò như các “tế bào thần kinh” (nerve cell) của hệ thống máy tính điện tử.

Để tránh đi quá sâu vào các vấn đề thuần túy kỹ thuật rắc rối, chúng tôi xin được giải thích một cách sơ lược và đơn giản hóa như sau. Giống như hai trạng thái dẫn và không dẫn điện của bán dẫn, mạch điện của transistor có thể ở trạng thái ‘mở’ (on) hoặc trạng thái ‘đóng’ (off), tùy thuộc vào điện thế áp đặt lên các cực của transistor. Chỉ cần thay đổi điện thế thích hợp mạch điện có thể đổi từ ‘on’ qua ‘off’ và ngược lại. Đó cũng chính là chức năng quan trọng nhất của hệ thống điều khiển tự động ‘digital logic’.

Năm 1955, Bell Labs giới thiệu máy vi tính bóng bán dẫn hoàn toàn đầu tiên, TRADIC. Nguồn ảnh tư liệu

Đặc biệt quan trọng là hai trạng thái ‘on’ và ‘off’ của mạch điện transistor có thể dùng để biểu diễn hai số nhị phân (binary) ‘0’ và ‘1’ trong thuật toán nhị phân theo đó tất cả các con số đều được biểu diễn bởi các tổ hợp khác nhau của ‘0’ và ‘1’. Thuật toán nhị phân được sử dụng trong các máy tính điện tử từ khi mới hình thành sau Thế chiến II cho đến nay. Thời kỳ đầu, máy tính điện tử cũng dùng các mạch điện với bóng đèn điện tử chân không để làm chức năng biểu diễn ‘0’ và ‘1’ của các số nhị phân. Chính vì vậy những chiếc máy tính điện tử ban đầu to bằng cả tòa nhà lớn do phải chứa hàng chục nghìn thậm chí trăm nghìn các bóng đèn điện tử chân không, vừa choán chỗ vừa sinh ra nhiệt lượng lớn và dễ hư hỏng.

Như đã nói ở bài Sự ra đời của phát minh quan trọng nhất cho cuộc cách mạng công nghệ tin học và bài Transistor – phát minh có ảnh hưởng lớn nhất tới cuộc cách mạng tin học, chỉ cần một bóng đèn điện tử bị hư thì cả hệ thống máy tính với trăm ngàn bộ phận khác cũng bị tê liệt theo. Nhờ sử dụng các chip bán dẫn bao gồm các vi mạch điện tử với các tổ hợp phức tạp của hàng triệu transistor mà các hệ thống máy tính trở nên nhỏ hơn, ít hư hỏng, hơn thế nữa khả năng tính toán mạnh hơn, nhanh hơn trước cả trăm nghìn thậm chí cả triệu lần như sẽ trình bày dưới đây.

Thoạt tiên, các bộ xử lý của máy tính sử dụng các transistor đơn lẻ được hàn vào mạch điện chung. Dẫu có tiến bộ hơn các máy tính dùng bóng đèn chân không, phương pháp này vẫn chưa tạo được một đột phá triệt để. Các máy tính vẫn khá kềnh càng đồ sộ vì các transistor dù có kích thước nhỏ hơn nhiều so với các ống chân không nhưng vẫn có kích thước cỡ vài  cm. Mặt khác hàn hàng trăm ngàn con transistor nhỏ như vậy vào mạch điện cũng không hề đơn giản chút nào. Điều này làm cản trở sự phát triển của máy tính nếu chúng ta biết được các bộ xử lý của các máy tinh siêu mạnh ngày nay cần có hàng triệu, thậm chí hàng tỷ linh kiện bán dẫn và transistor để thực hiện các phép tính phức tạp với tốc độ cực nhanh.

Quay trở lại với các nhà nghiên cứu trẻ của Công ty Fairchild Semiconductor những năm mới thành lập. Như đã nói ở trên, ngay trong năm 1958 các sản phẩm transistor silicon của Fairchild nhanh chóng được sử dụng trong các bộ phận điều khiển của tên lửa Minuteman và máy bay ném bom B-70, cả hai ứng dụng này đều đòi hỏi các hệ thống điều khiển nhỏ, nhẹ và hoạt động ổn định, chính xác. Chính các đòi hỏi này đã khiến các nhà nghiên cứu của Fairchild và cả TI lúc đó phải tìm cách cải tiến sản xuất transistor của họ.

Nhà vật lý lý thuyết Jean Hoerni, người phát minh ra phương pháp sản xuất chip bán dẫn. Nguồn: Magnum

Ngay sau khi chế tạo thành công các transistor silicon đầu tiên đem lại một số đơn đặt hàng lớn từ bộ quốc phòng Mỹ, các nhà sản xuất và cả các nhà sử dụng nhận thấy rằng một số transistor rất dễ hỏng do có các mảnh vật liệu bám vào cực của transistor trong quá trình sản xuất. Một số phương pháp được đề xuất để khắc phục nhưng quá phức tạp. Cuối cùng một phương pháp được phát minh bởi một trong tám nhà sáng lập ra Fairchild – Jean Hoerni – một nhà vật lý lý thuyết trẻ người gốc Thụy Sỹ, không những giải quyết được vấn đề trên mà còn mở ra phương pháp sản xuất các chip bán dẫn sau này. Chính vì vậy, nhà sử học về công nghệ Christophe Lécuyer đã gọi phát minh của Hoerni là “phát minh quan trọng nhất trong lịch sử công nghiệp bán dẫn”

Phương pháp của Hoerni không dễ giải thích bằng ngôn ngữ bình thường vì vậy chỉ xin trình bày đơn giản, chủ yếu về quá trình phát minh mà thôi. Chỉ sau hai tháng thành lập Fairchild, Hoerni đã đưa ra phương pháp sản xuất transistor trên một bề mặt – gọi là ‘planar manufacturing’. Nếu chúng ta nhớ lại chiếc transistor cồng kềnh của Bardeen và Brattain (hình 4 trong bài Transistor – phát minh có ảnh hưởng lớn nhất tới cuộc cách mạng tin học) thì Hoerni đưa ra một cách chế tạo hàng loạt các transistor ngay trong một bề mặt của chất bán dẫn có độ dày chỉ vài  chục micron (để dễ hình dung, kích thước của sợi tóc bằng khoảng 100 micron).

Vào lúc Hoerni đưa ra ý tưởng này (tháng 12.1957) Fairchild chưa có đủ phương tiện kỹ thuật để thực hiện. Mãi đến năm 1958 khi có đủ các điều kiện, Hoerni đã cùng với một nhà thực nghiệm và cũng là một trong tám người sáng lập ra Fairchild là Jay Last đã thực hiện chế tạo transistor kiểu mới này với mục đích ban đầu là khắc phục nhược điểm sản phẩm transistor dễ hỏng nói trên.

Vượt quá mọi sự mong đợi, Hoerni và Last chứng minh được rằng không những transistor sản xuất trên bề mặt như vậy chất lượng rất hoàn hảo mà còn có thể sản xuất hàng loạt với giá thành giảm rất nhiều. Đó cũng là tiền đề cho phát minh và sản xuất chip bán dẫn ra đời ngay sau đó. Ngày 14.1.1959 Faichild nộp đăng ký bằng phát minh trong đó ý tưởng chính được trích nguyên xi từ quyển vở ghi chép thí nghiệm của Hoerni từ tháng 12.1957.

Một trong những mạch IC đầu tiên gồm có 4 transistor do Jay Last chế tạo theo phương pháp bề mặt tại Fairchild. Nguồn: Theo tư liệu của Fairchild.

Chín ngày sau khi Hoerni nộp đăng ký bằng phát minh nói trên, Robert Noyce đã phát triển thêm một ý quan trọng và đó cũng có thể coi là phát minh ra chip bán dẫn đầu tiên. Noyce ghi trong quyển vở ghi chép thí nghiệm của mình rằng thật là phí phạm khi cả một tấm bán dẫn như vậy mà chỉ sản xuất được một số transistor nhỏ xíu. Sau đó lại phải cắt rời các transistor ra từ tấm bán dẫn đó, rồi khi sử dụng lại phải nối chúng lại vào các mạch điện.

Noyce viết: “Trong nhiều ứng dụng người ta mong muốn có nhiều linh kiện kết nối với nhau trên cùng một tấm bán dẫn silicon và như vậy sẽ giảm kích thước, khối lượng của hệ thống và giảm giá thành sản phẩm…”  Noyce đưa thêm vào phát minh của Hoerni các mạch nhỏ bằng nhôm liên kết các bộ phận khác nhau trong một mạch điện, sau đó phủ lên một lớp cách điện tạo ra một mạch tích hợp điện tử (integrated circuit – IC) và là tiền thân của chip bán dẫn sau này.

Thực chất chip bán dẫn chỉ là một tổ hợp của hàng ngàn thậm chí hàng trăm ngàn các mạch IC nói trên nhưng với kích cỡ vô cùng nhỏ và vì vậy chúng còn được gọi là các vi mạch điện tử bán dẫn.

Các chip bán dẫn được thiết kế khác nhau để phục vụ cho các chức năng của các thiết bị điện tử khác nhau. Tựu trung, chúng cũng chỉ là các hệ thống điều khiển điện tử dựa trên các chức năng ‘on’ và ‘off’ của các transistor và các tổ hợp phức tạp của chúng thông qua các mạch điện.

Các chip bán dẫn ngày càng tinh vi và phức tạp gắn liền với mức độ xử lý thông tin nhanh và phức tạp của các hệ thống điều khiển. Ví dụ như một bộ vi xử lí (microprocessor) Intel 386 của máy tính vào năm 1996 có khoảng 7 triệu linh kiện bán dẫn trên một bề mặt lớn cỡ 1 con tem thì ngày nay bộ vi xử lý của iPhone có đến hơn 40 tỷ linh kiện trên cùng một diện tích bề măt như thế.

Tổng thống Joe Biden cầm một con chip trên tay khi ông phát biểu trước khi ký ban hành sắc lệnh về việc đảm bảo các chuỗi cung ứng cho chip máy tính vào ngày 24.2.2021. Nguồn: AFP/Getty Images.

Trong năm 1959 transistor bề mặt được phát triển và sản xuất hết sức nhanh chủ yếu là do thúc đẩy của Công ty Autonetics đang chế tạo hệ thống máy tính điều khiển tên lửa Minutemen, vốn đòi hỏi cực kỳ gắt gao các tiêu chuẩn ổn định và chính xác. Cũng trong thời gian này Bell Labs cũng phát triển thêm một công nghệ mới sản xuất một loại transistor khác gọi là metal-oxide-semiconductor (MOS) transistor.

Vào năm 1961, Fairchild thông báo sản xuất thành công các mạch IC đầu tiên gọi là ‘Micrologic’. Nửa năm sau TI cũng cho ra đời các IC riêng của họ. Cũng từ đó các máy tính điện tử dựa trên các bộ vi xử lý bán dẫn cũng bắt đầu được phát triển.

Chính việc ra đời các chip bán dẫn với hàng tỷ linh kiện bán dẫn và transistor trên một bề mặt nhỏ xíu là tiền đề cho các máy tính cá nhân (PC) nhỏ bé nhưng công suất tính toán siêu phàm hơn nhiều các máy tính đồ sộ trước đó. Một ví dụ hay được đưa ra có tính ví von và cách điệu hóa nhưng không xa thực tế là bộ vi xử lý của một smartphone như của IPhone còn có nhiều chức năng siêu phàm hơn cả hệ thống điều khiển phi thuyền Apollo đổ bộ lên mặt trăng năm 1968. Nói như Bill Gates, nếu như không có phát minh ra transistor thì chắc chắn không có sự phát triển của máy tính như ngày nay và cũng không có cuộc cách mạng tin học đem lại cho nhân loại biết bao lợi ích to lớn.

Phi thuyền Apollo đổ bộ lên mặt trăng năm 1968 và chiếc IPhone 14. Nguồn: TL

Ngày nay, hầu như không có một thiết bị điện tử nào mà không có hệ thống điều khiển bằng các chip bán dẫn gồm có các transistor. Hàng năm, hàng chục tỷ chip bán dẫn được sử dụng trong các bộ điều khiển từ đồ chơi trẻ em cho đến smartphone, tàu bè, xe hơi, máy bay… Không những transistor silicon và chip bán dẫn có những chức năng tuyệt vời như nói trên, silicon là vật liệu có rất nhiều trong tự nhiên. Với các nghiên cứu và phát triển không ngừng của các nhà khoa học, ngày nay một người bình thường trong xã hội cũng có thể sở hữu một hệ thống máy tính mạnh tương đương với cả hệ thống điều khiển du thuyền vũ trụ những năm 1960 trị giá hàng chục triệu USD thời bấy giờ. Đó chính là tác động thần kỳ của transistor đối với cuộc cách mạng tin học mà chúng đang chứng kiến, nhưng đa số chúng ta hầu như không biết tới.

Những nước như Nhật Bản, Hàn Quốc và Đài Loan nhờ tham gia sớm và tích cực trong công cuộc phát triển công nghệ bán dẫn đã trở thành các nền kinh tế kỳ diệu (mời bạn đọc xem thêm tuyến bài Người gầy dựng nền công nghệ chip bán dẫn của Đài Loan sắp tới). Ngược lại, cũng có nhiều quốc gia vốn là các cường quốc khoa học nhưng đã bỏ lỡ “chuyến tàu công nghệ” thế kỷ. Trong phần tiếp theo chúng tôi sẽ trình bày về câu chuyện này.

Còn tiếp…

Nguyễn Trung Dân

New York, tháng 9.2022

___________

* Tác giả bài viết có trên 25 năm nghiên cứu về vật lý lý thuyết và ứng dụng các chất bán dẫn, trong đó có thời gian nghiên cứu ở Italy, Đức, Nhật  và Mỹ (từ 1998). Là Associate Research Professor của Đại học Arizona cho đến 2017 chuyển sang làm nghiên cứu viên cao cấp tại trung tâm nghiên cứu của một công ty công nghệ cao, đa quốc gia tại New York, nghiên cứu về lĩnh vực Viễn Thông lượng tử và Mô phỏng lượng tử, đồng thời vẫn tiếp tục giữ cương vị giáo sư ngoài biên chế (Adjunct Professor) của Đại học Arizona. Là tác giả cuốn sách chuyên môn “Modeling and design photonics by examples using Matlabs” đang được sử dụng làm giáo trình trong một số Đại học ở Mỹ.