Máy tính 2D đầu tiên trên thế giới ra đời: Bước ngoặt chấm dứt kỷ nguyên silicon?

Kỷ nguyên Silicon sắp khép lại? Các nhà khoa học ra mắt máy tính 2D đầu tiên trên thế giới

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Penn State (Mỹ) vừa công bố bước đột phá mang tính lịch sử: máy tính đầu tiên không sử dụng silicon, mà được chế tạo hoàn toàn từ vật liệu 2D mỏng chỉ bằng một nguyên tử. Thành công này có thể mở ra tương lai mới cho ngành điện tử – nơi các thiết bị tính toán siêu nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng và mạnh mẽ hơn bao giờ hết.

Từ Silicon đến vật liệu 2D: Bước ngoặt của công nghệ bán dẫn

Trong suốt nhiều thập kỷ, silicon là nền tảng của mọi con chip, từ điện thoại, máy tính cho đến xe điện. Nhưng vị thế “độc tôn” đó có thể sớm lung lay.
Nhóm nghiên cứu do giáo sư Saptarshi Das dẫn đầu đã xây dựng thành công máy tính hoạt động được mà không dùng silicon, thay vào đó là hai loại vật liệu 2D có độ dày chỉ một nguyên tử nhưng vẫn duy trì được tính chất điện tử vượt trội.

Máy tính 2D này có thể thực hiện các phép tính cơ bản – một cột mốc quan trọng cho thấy vật liệu 2D hoàn toàn có thể thay thế silicon trong tương lai. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature danh tiếng.

Công nghệ CMOS không cần silicon

Điểm nổi bật của nghiên cứu là việc tạo ra mạch CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) – công nghệ lõi của hầu hết các thiết bị điện tử hiện đại – mà không cần silicon.

Thay vì silicon, nhóm sử dụng hai vật liệu 2D khác nhau:

• Molybdenum disulfide (MoS₂) cho transistor loại n (n-type)
• Tungsten diselenide (WSe₂) cho transistor loại p (p-type)

Hai loại transistor này phối hợp để điều khiển dòng điện hiệu quả, giúp duy trì hiệu suất cao nhưng tiêu thụ điện năng thấp – yếu tố vốn là thách thức lớn khi công nghệ silicon dần đạt giới hạn thu nhỏ.

Cách chế tạo “máy tính 2D”

Nhóm nghiên cứu đã dùng quy trình MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) – một kỹ thuật tạo màng mỏng bằng cách bốc hơi và kết tủa hóa chất lên bề mặt nền – để trồng lớp MoS₂ và WSe₂ quy mô lớn, rồi chế tạo hơn 1.000 transistor mỗi loại.

Sau khi tinh chỉnh quy trình và điều chỉnh điện áp ngưỡng cho cả transistor n-type và p-type, họ đã lắp ráp thành công mạch CMOS hoàn chỉnh.

Theo Subir Ghosh, nghiên cứu sinh tiến sĩ và là tác giả chính của công trình:

Máy tính CMOS 2D của chúng tôi hoạt động với điện áp thấp, tiêu thụ rất ít năng lượng và có thể thực hiện các phép logic đơn giản ở tần số lên tới 25 kHz.

Dù tần số này vẫn còn thấp so với chip silicon hiện nay, nhưng đây là máy tính 2D đầu tiên có thể vận hành hoàn chỉnh, đánh dấu bước nhảy vọt lớn trong việc ứng dụng vật liệu nguyên tử vào điện tử học.

Giáo sư Das nhận định rằng con đường phía trước vẫn còn dài, nhưng tốc độ phát triển của vật liệu 2D đang nhanh hơn rất nhiều so với silicon.

Công nghệ silicon đã được nghiên cứu suốt gần 80 năm, trong khi nghiên cứu vật liệu 2D chỉ mới bắt đầu từ khoảng năm 2010. Tuy vậy, thành tựu này là một cú nhảy vọt – đặt nền móng cho kỷ nguyên máy tính thế hệ mới.