Nhà sản xuất Đài Loan hứa hẹn đây sẽ là một bước tiến lớn về hiệu suất và hiệu quả, có khả năng định hình lại bối cảnh công nghệ hiện nay. Dù vậy, việc sản xuất hàng loạt chip 2 nm sẽ vấp phải những trở ngại về kỹ thuật và chi phí.

Một mẫu chip bán dẫn của TSMC trưng bày tại hội nghị và triển lãm Cybersec 2025 ở Đài Bắc hôm 15/4. Ảnh: I-Hwa Cheng/AFP

Microchip là nền tảng của công nghệ hiện đại và góp mặt trong hầu hết thiết bị điện tử, từ bàn chải điện, smartphone đến laptop, đồ gia dụng, theo Live Science. Chúng được chế tạo bằng cách xếp lớp và khắc các vật liệu như silicon để tạo ra mạch siêu nhỏ chứa hàng tỷ bóng bán dẫn.

Bóng bán dẫn thực chất là những công tắc tí hon kiểm soát dòng điện và cho phép máy tính hoạt động. Nhìn chung, chip càng chứa nhiều bóng bán dẫn thì càng nhanh và mạnh mẽ. Các nhà sản xuất chip luôn nỗ lực gom nhiều bóng bán dẫn hơn vào một diện tích nhỏ hơn để tạo ra những thiết bị công nghệ hoạt động tốt và tiết kiệm năng lượng.

Công nghệ microchip tiên tiến của TSMC được các công ty khác sử dụng trong nhiều thiết bị, ví dụ, bộ xử lý dòng A của Apple dùng trong iPhone, iPad, Mac và các bộ xử lý đồ họa (GPU) của Nvidia dùng cho học máy và ứng dụng AI. Ngoài ra, công nghệ này cũng giúp sản xuất bộ xử lý Ryzen và EPYC của AMD, được các siêu máy tính trên khắp thế giới sử dụng, và sản xuất bộ xử lý Snapdragon của Qualcomm, dùng trong điện thoại Samsung, Xiaomi, OnePlus, Google.

Bên ngoài trụ sở chính của TSMC ở Đài Loan. Ảnh: TSMC

Năm 2020, TSMC bắt đầu một tiến trình thu nhỏ microchip đặc biệt gọi là công nghệ 5 nm FinFET, đóng vai trò quan trọng trong phát triển smartphone và điện toán hiệu năng cao (HPC) - cho phép nhiều bộ xử lý hoạt động đồng thời để xử lý những vấn đề tính toán phức tạp. Hai năm sau, TSMC giới thiệu tiến trình thu nhỏ 3 nm với các microchip nhỏ hơn, giúp tăng hiệu suất và hiệu quả năng lượng thêm nữa.

Giờ đây, với chip 2 nm, smartphone, laptop và tablet có thể hưởng lợi từ hiệu suất tốt hơn và thời lượng pin dài hơn. Điều này sẽ dẫn đến sự ra đời của những thiết bị nhỏ hơn, nhẹ hơn trong khi sức mạnh không giảm.

So với loại tiên tiến nhất trước đây, chip 3 nm, chip 2 nm mới của TSMC dự kiến mang lại những lợi ích đáng kể như tăng tốc độ tính toán 10% - 15% ở cùng mức điện tiêu thụ hoặc giảm tiêu thụ điện 20% - 30% ở cùng tốc độ. Thêm vào đó, mật độ bóng bán dẫn trong chip 2 nm tăng khoảng 15% so với công nghệ 3 nm. Điều này sẽ cho phép các thiết bị hoạt động nhanh hơn, tiêu thụ ít năng lượng hơn và thực hiện những tác vụ phức tạp hiệu quả hơn.

Chip 2 nm hứa hẹn giúp cải tiến các ứng dụng dựa trên AI như trợ lý giọng nói, dịch ngôn ngữ theo thời gian thực và hệ thống máy tính tự động. Các trung tâm dữ liệu có thể giảm tiêu thụ năng lượng, đồng thời tăng khả năng xử lý, đóng góp cho mục tiêu bền vững môi trường. Xe tự động và robot cũng sẽ hưởng lợi từ tốc độ xử lý và độ tin cậy tăng của chip mới, nhờ đó trở nên an toàn và phổ biến hơn.

Dù đánh dấu một cột mốc công nghệ đáng chú ý, chip 2 nm cũng đặt ra một số thách thức, đầu tiên là sự phức tạp trong sản xuất. Sản xuất chip 2 nm đòi hỏi những kỹ thuật tiên tiến như quang khắc cực tím siêu mạnh (EUV). Quá trình phức tạp và đắt đỏ này làm tăng chi phí sản xuất, đồng thời đòi hỏi độ chính xác cực kỳ cao.

Một vấn đề lớn khác là nhiệt. Dù tiêu thụ ít điện hơn, khi bóng bán dẫn thu nhỏ và mật độ tăng lên, kiểm soát tản nhiệt sẽ không đơn giản. Tình trạng quá nhiệt có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bền của chip.

Ngoài ra, ở quy mô nhỏ như vậy, các vật liệu truyền thống như silicon có thể đạt đến giới hạn hiệu suất của chúng. Điều này đòi hỏi nhà sản xuất phải khám phá thêm những vật liệu khác.

Đầu tháng 3, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Bắc Kinh tuyên bố tạo ra bước đột phá trong công nghệ chip, có khả năng định hình lại cuộc đua chất bán dẫn. Họ phát triển bóng bán dẫn sử dụng vật liệu bismuth thay vì silicon truyền thống. Bóng bán dẫn mới được cho là nhanh hơn 40% chip silicon 3 nm của Intel và TSMC, trong khi tiêu thụ năng lượng ít hơn 10%.

Thu Thảo (Theo Live Science, Interesting Engineering)