Trung Quốc mới đây gây chú ý khi công bố bước đột phá trong công nghệ bán dẫn với vật liệu InSe, mở ra hướng đi mới vượt xa silicon truyền thống. Thành tựu này không chỉ là cuộc cách mạng kỹ thuật mà còn báo hiệu cuộc đua công nghệ gay cấn với Mỹ đang bước sang giai đoạn hoàn toàn khác.

Cách đây hơn một tuần, một bài đăng lan truyền trên mạng tuyên bố rằng vào ngày 19 tháng 7, Trung Quốc đã “khai tử tấm nền bán dẫn wafer silicon.” Lời khẳng định này gây sốc: một đột phá trong vật liệu bán dẫn mới có tên selenide indi (InSe) được cho là đã khiến toàn bộ hệ sinh thái chip của phương Tây — từ các nhà máy FAB của Intel đến các xưởng đúc gia công của TSMC và cả các lệnh trừng phạt của Mỹ — trở nên lỗi thời chỉ sau một đêm.

Bài đăng lập luận rằng Trung Quốc không chỉ thắng trong “cuộc chiến chip” mà còn “rời khỏi chiến trường” bằng cách làm chủ một quy luật mới của vật lý nguyên tử.

Giống như nhiều thứ trên Internet, câu chuyện này là một sự đơn giản hóa quá mức. Tuy nhiên, nó lại đề cập đến một sự kiện thực và quan trọng. Ngày 18 tháng 7, các nhà nghiên cứu từ Đại học Bắc Kinh và Đại học Nhân dân Trung Quốc đã công bố một bài báo mô tả phương pháp mới để sản xuất hàng loạt tấm wafer InSe chất lượng cao.

Dù thành tựu này sẽ không “giết chết” silicon ngay lập tức, nó vẫn là một bước nhảy vọt chiến lược thật sự. Nó cho thấy trong khi phương Tây tập trung vào việc phong tỏa công nghệ hiện tại, Trung Quốc lại đang quyết liệt tìm cách phát minh ra thế hệ tiếp theo.

Nếu so sánh giữa tuyên bố lan truyền trên mạng và thực tế khoa học, ta sẽ thấy một câu chuyện phức tạp hơn nhưng cũng sâu sắc không kém về tương lai của công nghệ, địa chính trị và những vật liệu sẽ cung cấp năng lượng cho thế giới.

Bên trong bước đột phá wafer InSe của Trung Quốc

Cốt lõi của bài đăng trên mạng có một điểm đúng: thách thức lớn nhất trong sản xuất InSe nằm ở độ chính xác cấp nguyên tử, được gọi là tỉ lệ thành phần hay tỉ lệ định lượng (stoichiometry).

InSe là vật liệu hai chiều (2D), nghĩa là nó có thể tạo thành các lớp ổn định chỉ dày vài nguyên tử (gần như không có chiều cao). Để hoạt động như một bán dẫn hiệu suất cao, nó phải đạt tỉ lệ nguyên tử 1:1 hoàn hảo giữa indi và selenium. Bất kỳ sai lệch nào cũng tạo ra khuyết tật phá hỏng tính chất điện tử của vật liệu. Khác với silicon — một nguyên tố bền và “dễ tính” có thể đánh bóng và pha tạp để điều chỉnh — InSe rất “khó chiều.”

Thành tựu của các nhà khoa học Trung Quốc là giải quyết được đúng bài toán này. Phương pháp sáng tạo của họ bao gồm việc nung màng InSe vô định hình cùng với indi rắn trong môi trường kín. Indi bốc hơi tạo ra một bề mặt lỏng, cho phép các tinh thể InSe hoàn hảo ở cấp nguyên tử hình thành qua một quá trình tự hiệu chỉnh.

Điểm quan trọng là họ đã mở rộng quy mô từ các mảnh mẫu nhỏ trong phòng thí nghiệm lên thành những tấm nền wafer đường kính 5 cm, đồng thời chế tạo thành công các mảng transistor hoạt động, chứng minh vật liệu đạt tiêu chuẩn “sản xuất công nghiệp.” Đây là bước then chốt để đưa vật liệu từ phòng thí nghiệm ra nhà máy — một nút thắt cổ chai từng kìm hãm nhiều ứng viên hậu-silicon đầy hứa hẹn.

Tiềm năng của một “bán dẫn vàng”

Sự hứng khởi quanh InSe là có cơ sở. Khi chip silicon ngày càng tiến gần giới hạn vật lý, ngành công nghiệp đang khẩn thiết tìm kiếm vật liệu thay thế để duy trì đà phát triển mà đồng sáng lập Gordon Moore mô tả thành định luật — xu hướng số lượng transistor tăng gấp đôi khoảng mỗi hai năm với chi phí tăng không đáng kể.

InSe, thường được gọi là “bán dẫn vàng”, từ lâu đã là ứng viên hàng đầu nhờ ba lý do: Thứ nhất, độ linh động electron rất cao — tốc độ electron di chuyển trong vật liệu — có thể vượt 1.000 cm²/V•s, cao hơn nhiều so với silicon. Điều này đồng nghĩa transistor có thể chuyển mạch nhanh hơn và bộ xử lý mạnh hơn.

Một báo cáo cho thấy transistor làm từ InSe có thể tăng gấp ba tốc độ chuyển mạch nội tại của công nghệ silicon 3nm hiện tại, đồng thời cải thiện hiệu suất năng lượng gấp mười lần.

Thư hai, không giống graphene — vật liệu “kỳ diệu” nhưng không có khe năng lượng tự nhiên (bandgap) và khó “tắt/mở” — InSe là bán dẫn thực sự với khe năng lượng có thể điều chỉnh, phù hợp cho logic kỹ thuật số.

Cuối cùng, cấu trúc mỏng cấp nguyên tử cho phép kiểm soát cổng transistor tốt hơn, khắc phục hiện tượng hiệu ứng kênh ngắn (short-channel effects) gây rò điện ở các transistor silicon hiện đại.

Kiểm chứng thực tế: Vì sao silicon chưa “chết”

Tuy nhiên, đây chính là điểm mà bài đăng lan truyền đã rẽ từ khoa học sang… khoa học viễn tưởng. Khẳng định rằng bước đột phá này khiến ASML, TSMC và toàn bộ chuỗi cung ứng phương Tây trở nên vô nghĩa là sai cơ bản. Tạo ra một tấm wafer hoàn hảo mới chỉ là bước đầu tiên — dù rất quan trọng. “Phép màu” của một con chip hiện đại nằm ở việc khắc hàng nghìn tỷ bóng bán dẫn lên tấm wafer đó với độ chính xác ở mức nanomet.

Quy trình này phụ thuộc vào một hệ sinh thái cực kỳ phức tạp và đắt đỏ mà Trung Quốc vẫn chưa tự làm chủ được trong nước. Nó bao gồm các máy quang khắc EUV (Extreme Ultraviolet) — một khoảng trống đặc biệt khó lấp đầy — cũng như các thiết bị khắc và phủ tiên tiến từ những công ty như Applied Materials và Lam Research. Phương pháp mới để chế tạo InSe không giúp giảm sự phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng cực kỳ tinh vi này.

Hơn nữa, ngành công nghiệp bán dẫn toàn cầu là một “gã khổng lồ” trị giá hàng nghìn tỷ đô, được xây dựng trên nền tảng silicon đã được tối ưu hóa suốt 50 năm qua. Tấm wafer InSe kích thước 5 cm tuy là một minh chứng tuyệt vời, nhưng vẫn còn quá nhỏ và vẫn còn cách rất xa so với chuẩn 300 mm (12 inch) đang được dùng trong các nhà máy hiện đại.

Việc chuyển đổi ngành công nghiệp sang vật liệu mới sẽ mất hàng thập kỷ và tiêu tốn hàng nghìn tỷ đô la, với nhiều thách thức về năng suất, chi phí và độ tin cậy. Silicon sẽ vẫn là “xương sống” của thế giới số trong tương lai gần.

Đột phá mở lối cho Trung Quốc phát triển công nghệ ưu tiên hiệu năng

Ý nghĩa thực sự của bước đột phá này không phải là khiến silicon trở nên lỗi thời, mà là mang lại cho Trung Quốc một con đường chiến lược để phát triển công nghệ thế hệ tiếp theo trong các lĩnh vực trọng yếu, nơi hiệu năng được ưu tiên hơn chi phí, bao gồm:

– Quân sự và hàng không vũ trụ: Đây là lĩnh vực tác động ngay lập tức và quan trọng nhất. Với những ứng dụng như radar tiên tiến, hệ thống tác chiến điện tử và thông tin vệ tinh, chip dựa trên InSe có thể mang lại lợi thế hiệu năng vượt trội. Sở hữu năng lực độc lập trong một vật liệu “hậu-silicon” cho phép Trung Quốc chế tạo phần cứng quân sự cao cấp mà không phụ thuộc vào công nghệ Mỹ.

– AI, điện toán đám mây và siêu máy tính hiệu năng cao: Mối đe dọa thương mại lớn nhất là với các công ty như Nvidia. Bộ tăng tốc AI sử dụng InSe có thể mang lại hiệu năng trên mỗi watt vượt trội — yếu tố sống còn trong các trung tâm dữ liệu vốn tiêu tốn rất nhiều năng lượng. Điều này có thể cho phép các công ty Trung Quốc xây dựng siêu máy tính AI mạnh mẽ, tiết kiệm năng lượng và hoàn toàn nội địa — một ưu tiên quốc gia then chốt.

– Điện tử tiêu dùng và thiết bị y tế: Về lâu dài, các đặc tính độc đáo của InSe mở ra những sản phẩm mới. Tính linh hoạt vượt trội khiến nó phù hợp với màn hình gập và thiết bị đeo, trong khi độ nhạy cao và tiêu thụ điện thấp khiến nó lý tưởng cho các cảm biến y tế tiên tiến và thiết bị vạn vật kết nối Internet. Điều này tạo cơ hội để Trung Quốc “vượt qua” công nghệ hiện tại và thiết lập một biên giới mới về đổi mới.

Tác động của đột phá công nghệ lên các “ông lớn” ngành chip và các biện pháp trừng phạt: Các công ty hiện tại không bị loại bỏ ngay, nhưng bị đặt trong tình trạng cảnh giác. TSMC và Intel cần đẩy nhanh nghiên cứu và phát triển vật liệu 2D để tránh bị vượt mặt. Các nhà sản xuất thiết bị như ASML vẫn sẽ có thị trường, vì các nhà máy InSe trong tương lai vẫn cần công cụ quang khắc của họ. Người “thua” thực sự là các biện pháp trừng phạt — vốn được thiết kế để giữ Trung Quốc trong kỷ nguyên silicon — nay đã xuất hiện một con đường khả thi để né tránh.

Cuộc chiến chip chưa kết thúc

Tuyên bố gây sốc rằng Trung Quốc đã “giết chết tấm wafer silicon” là một sự phóng đại lớn. Tuy nhiên, đằng sau lời lẽ cường điệu là một sự thật quan trọng: một bước đột phá khoa học lớn đã xảy ra và ý nghĩa địa chính trị của nó là rất sâu sắc.

Trung Quốc chưa kết thúc “cuộc chiến chip”, nhưng họ đã mở một mặt trận mới — không dựa vào địa chính trị và chuỗi cung ứng, mà dựa vào khoa học vật liệu cơ bản. Thành tựu này cho thấy chiến lược chỉ tập trung vào việc hạn chế tiếp cận công nghệ hiện tại của đối thủ là một con đường chắc chắn thất bại.

Tương lai của điện toán sẽ không chỉ được quyết định bởi ai khắc được những đường nhỏ nhất trên silicon, mà còn bởi ai có thể làm chủ được các tiến bộ tinh vi ở cấp độ nguyên tử của những vật liệu sẽ thay thế nó.

Bước đột phá của Trung Quốc trong sản xuất tấm wafer selenid indi báo hiệu một giai đoạn mới trong cuộc đua công nghệ đầy căng thẳng với Mỹ. Ảnh: TechNewsWorld