Quy trình sản xuất chip bán dẫn là gì? Có vai trò quan trọng thế nào?

Khi nói đến lĩnh vực chip xử lý, một trong những khía cạnh dành được nhiều sự quan tâm nhất có lẽ là quy trình sản xuất - yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến sức mạnh tính toán và hiệu quả sử dụng điện năng của con chip.

Cách đây vài năm, mọi người chủ yếu nói về các quy trình 10nm và 7nm như những thành tựu biểu trưng cho sự phát triển của ngành công nghiệp bán dẫn. Hiện tại, sự chú ý đó được đổ dồn sang các quy trình mới hơn như 5nm, 4nm, hay những công nghệ của tương lai như 2nm hoặc thậm chí 1nm.

Vậy các “quy trình nm” là gì và nó có tầm quan trọng ra sao đối với các thiết bị công nghệ nói riêng và toàn bộ ngành công nghiệp bán dẫn nói chung? Hãy cùng tìm hiểu ngay sau đây.

Quy trình bán dẫn có nghĩa là gì?

Về cơ bản, việc thay đổi sang một quy trình bán dẫn mới có thể hiểu là thay đổi cách thức sản xuất một bộ xử lý. Thông thường, điều này có nghĩa là thu nhỏ kích thước các bóng bán dẫn, qua đó cho phép “đóng gói” số lượng bóng bán dẫn hơn vào một khu vực nhất định trên silicon. Tên gọi của một quy trình chính là mật độ bóng bán dẫn tương ứng. Càng có nhiều bóng bán dẫn, bộ xử lý càng có thể thực hiện nhiều phép tính và do đó càng mạnh mẽ hơn.

Theo định luật Moore, số lượng bóng bán dẫn trong một mạch tích hợp sẽ tăng gấp đôi cứ sau khoảng 2 năm: "Số lượng transistor trên mỗi đơn vị inch vuông sẽ tăng lên gấp đôi sau mỗi 24 tháng".

Để thể hiện khái niệm về một nút quy trình cải tiến, các công ty sử dụng danh pháp 'nm'. Chẳng hạn, Intel sử dụng quy trình 14nm cho các dòng CPU máy tính của mình kể từ năm 2014. Thay vì hướng đến các nút quy trình mới, công ty này đã chọn cách tập trung vào việc làm cho thiết kế 14nm trở nên hiệu quả và mạnh mẽ hơn. Kết quả là CPU sẽ sở hữu nhiều lõi hơn, tốc độ nhanh hơn. Thay vì những thay đổi đáng kể đối với quy trình sản xuất.

Ở phía đối diện, AMD lại có cách tiếp cận hoàn toàn khác. Hãng này đầu tư rất mạnh vào việc cải tiến các nút quy trình mới cho bộ vi xử lý Ryzen của mình. Dòng Ryzen 1000 bắt đầu ở quy trình 14nm. 4 năm sau, dòng Ryzen 5000 chuyển sang phiên bản cải tiến 7nm. Trong khi quy trình 5nm được AMD định hướng cho thế hệ Ryzen mới ra mắt vào năm 2022.

Trở lại vấn đề chính. Các quy trình mới và số 'nm' tương ứng của chúng không mang tính đồng nhất về sức mạnh trên sản phẩm của các công ty. Ví dụ, bạn không thể nói rằng bộ xử lý 10nm của Intel sẽ chậm hơn bộ xử lý 7nm từ AMD. Điều này một phần là bởi 'nm' vốn không phải là tiêu chuẩn chung để so sánh sức mạnh của các bộ xử lý.

Vậy “nm” có ý nghĩa gì?

Thuật ngữ “nm” là viết tắt của nanomet, một phép đo siêu nhỏ có giá trị bằng một phần tỷ mét. Đơn vị “nm” thường được sử dụng để xác định kích thước của chiều dài cổng bóng bán dẫn và nửa rãnh kim loại (một nửa khoảng cách giữa điểm đầu của một nút kết nối kim loại và điểm tiếp theo trên chip), cả hai đều có cùng kích cỡ.

Tuy nhiên ở thời điểm hiện tại, phép đo 'nm' thường được sử dụng như một thuật ngữ tiếp thị cho các bộ vi xử lý. Thực tế cho thấy rằng đã có một sự cải tiến đáng kể trong công nghệ sản xuất chip bán dẫn, nhưng nó không liên quan gì đến một phép đo cụ thể mà bạn có thể thực hiện trên chính bộ xử lý. Đó là lý do tại sao, nhiều chuyên gia nhận định rằng quy trình 10nm  trên các dòng vi xử lý của Intel như Tiger Lake và Ice Lake, hoàn toàn có thể so sánh sánh được với quy trình 7nm của TSMC.

Ngay nay, bên cạnh những cải thiện trong hiệu năng, sự nâng cấp về mặt quy trình xử lý còn mang ý nghĩa lớn về mặt tiếp thị thương mại. Nhưng suy cho cùng, mọi sự cải tiến đều đến mang đến những hiệu ứng tích cực, và là yếu tố không thể thiếu trong lĩnh vực khoa học công nghệ.