Làm thế nào để chip máy tính thế hệ tiếp theo có thể giảm lượng khí thải carbon của chúng ta?

Hỏi & Đáp với hai nhà khoa học nhằm vượt qua các giới hạn về sức mạnh tính toán và hiệu quả năng lượng bằng cách thiết kế các vi mạch mới.

Máy tính xách tay và điện thoại thông minh của chúng tôi nhỏ gọn nhưng mạnh mẽ nhờ vi điện tử silicon, còn được gọi là vi mạch hoặc chip, bộ não nhỏ đằng sau bộ não kỹ thuật số của hầu hết mọi thiết bị hiện đại.

Nhưng sự tiện lợi hiện đại như vậy đi kèm với một cái giá phải trả. Đến năm 2030, khoảng 25% năng lượng trên thế giới – phần lớn được sản xuất bằng cách đốt nhiên liệu hóa thạch giàu carbon – có thể được tiêu thụ bởi các thiết bị điện tử nếu không làm gì để làm cho chúng tiết kiệm năng lượng hơn.

Chip silicon bắt nguồn từ một thiết kế được gọi là CMOS, viết tắt của kim loại-oxit-bán dẫn bổ sung. Theo dự đoán đầu tiên của Định luật Moore vào năm 1975, chip silicon CMOS đang đạt đến giới hạn trong quá trình thu nhỏ và hiệu suất. Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã săn lùng những vật liệu điện tử mới vượt ra ngoài giới hạn của Định luật Moore cũng như những ràng buộc của chip silicon CMOS.

Giờ đây, các nhà khoa học Maurice Garcia-Sciveres và Ramamoorthy Ramesh tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley của DOE (Phòng thí nghiệm Berkeley) đang thiết kế các vi mạch mới có thể hoạt động tốt hơn – và cần ít năng lượng hơn – so với silicon. Trong ba năm tới, họ sẽ dẫn đầu hai trong số 10 dự án gần đây được Bộ Năng lượng trao tặng gần 54 triệu đô la để tăng hiệu quả năng lượng trong thiết kế và sản xuất vi điện tử.

Họ thảo luận về các dự án của họ trong phần Hỏi và Đáp này.

Q: Trong 3 năm tới, bạn hy vọng sẽ đạt được những gì? Ý nghĩa công việc của bạn là gì?

 Garcia-Sciveres: Dự án của chúng tôi – “Đồng thiết kế và tích hợp các cảm biến Nano trên CMOS” – nhằm cải thiện hiệu suất bằng cách tích hợp các cảm biến ánh sáng cực nhỏ được làm bằng vật liệu nano vào một mạch tích hợp CMOS (bổ sung kim loại-oxit-bán dẫn) thông thường. (Vật liệu nano là vật chất được thiết kế ở quy mô siêu nhỏ của một phần tỷ mét.)

Chip CMOS được làm bằng silicon, nhưng nếu bạn nhìn vào mức độ sử dụng năng lượng của silicon, thì nó đang bắt đầu có ý nghĩa – và trong một thập kỷ nữa, chip silicon sẽ tiêu thụ một phần lớn năng lượng của chúng ta. Ví dụ, máy tính cần thiết để chạy một chiếc ô tô tự lái tiêu thụ năng lượng đáng kể so với năng lượng cần thiết để chạy ô tô. Chúng ta cần tính toán với ít năng lượng hơn hoặc tăng hiệu suất mà không cần nhiều năng lượng hơn, nhưng bạn không thể làm điều đó với chip silicon vì silicon phải chạy trên một điện áp nhất định – và những hạn chế vật lý đó đang khiến chúng ta phải trả giá.

Trong dự án của chúng tôi, các vật liệu nano như ống nano carbon – thiết bị nhỏ đến mức không thể nhìn thấy bằng mắt thường – sẽ đóng vai trò là cảm biến ánh sáng. Các cảm biến nano bổ sung chức năng mới cho chip CMOS, giúp tăng hiệu suất.

Cảm biến là một ứng dụng ban đầu tốt, nhưng khi được tích hợp vào chip, các ống nano carbon cũng có thể đóng vai trò là bóng bán dẫn hoặc công tắc xử lý dữ liệu. Việc tích hợp nhiều ống nano carbon vào một con chip silicon có thể dẫn đến các loại thiết bị điện tử mới nhỏ hơn, nhanh hơn cũng như tiết kiệm năng lượng hơn các công nghệ hiện tại.

Ramesh: Trong dự án của chúng tôi, “Đồng thiết kế vi điện tử siêu thấp áp ngoài CMOS”, chúng tôi dự định khám phá các hiện tượng vật lý mới sẽ dẫn đến hiệu quả năng lượng cao hơn đáng kể trong máy tính. Điều này rất quan trọng vì chúng tôi tin rằng Định luật Moore tiếp theo có khả năng tập trung vào thang năng lượng chứ không phải thang độ dài, vì chúng ta đã ở giới hạn của việc mở rộng độ dài.

Vào khoảng năm 2015, năng lượng tiêu thụ từ vi điện tử chỉ chiếm khoảng 4-5% tổng năng lượng sơ cấp của thế giới. Năng lượng sơ cấp thường có nghĩa là năng lượng hóa học được sản xuất bởi một nhà máy điện chạy bằng than hoặc khí đốt tự nhiên. Điều này thường có hiệu suất chuyển đổi thành điện năng là 35-40%.

Sự phụ thuộc ngày càng nhiều của chúng ta vào trí tuệ nhân tạo, máy học và IoT – hoặc Internet of Things, nơi mọi thứ đều được kết nối điện tử, chẳng hạn như hệ thống giao thông, hệ thống ứng phó khẩn cấp, năng lượng tái tạo và hệ thống lưới điện – sẽ dẫn đến sự gia tăng theo cấp số nhân của thiết bị điện tử từ quan điểm hệ thống.

Điều này có nghĩa là đến năm 2030, năng lượng tiêu thụ từ vi điện tử được dự báo là ít nhất 25% năng lượng sơ cấp. Do đó, làm cho thiết bị điện tử tiết kiệm năng lượng hơn là một vấn đề lớn.

Đối với dự án của chúng tôi, chúng tôi đang hỏi, “Những cải tiến vật liệu cơ bản nào có thể giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng của vi điện tử?” Chúng tôi đang xem xét một khuôn khổ hoàn toàn khác khám phá vật lý mới bằng cách sử dụng phương pháp đồng thiết kế, trong đó các chuyên gia hàng đầu thế giới về vật lý vật liệu, thiết kế thiết bị và mạch, chế tạo và thử nghiệm cũng như kiến trúc cấp chip đang hợp tác để thực hiện đưa ra một nghiên cứu tổng thể về các con đường dẫn đến máy tính thế hệ tiếp theo.

H: Công việc của bạn sẽ kích hoạt những ứng dụng mới nào, và bạn sẽ thể hiện những khả năng mới này như thế nào?

Garcia-Sciveres: Công trình của chúng tôi sẽ chứng minh một máy ảnh đơn photon có thể đo quang phổ – bước sóng hoặc năng lượng – của mọi photon hoặc hạt ánh sáng mà nó phát hiện được. Điều này cho phép tạo ra hình ảnh siêu kính – nghĩa là hình ảnh mà mỗi pixel có thể được phân tách thành nhiều màu, cung cấp nhiều thông tin hơn. Hình ảnh siêu kính cận mang lại lợi ích cho nhiều ngành khoa học, từ vũ trụ học đến hình ảnh sinh học.

Thí nghiệm Quang phổ Năng lượng Tối ( DESI ), một sự hợp tác khoa học quốc tế do Phòng thí nghiệm Berkeley quản lý, chụp quang phổ của các thiên hà xa xôi, bắt đầu từ hình ảnh của các thiên hà trước đây được chụp bằng các thiết bị khác. Thông tin quang phổ bổ sung này giúp các nhà vũ trụ học hiểu năng lượng tối đã định hình sự giãn nở của vũ trụ chúng ta như thế nào. Nếu những quan sát ban đầu về các thiên hà được thực hiện bằng máy chụp ảnh siêu kính, thông tin quang phổ sẽ có sẵn ngay từ đầu.

Một ứng dụng ngày càng tăng khác của hình ảnh siêu kính viễn vọng là nghiên cứu các hành tinh ngoài hành tinh. (Các hành tinh trong hệ mặt trời của chúng ta quay quanh Mặt trời. Các hành tinh quay quanh các ngôi sao khác được gọi là ngoại hành tinh.)

Nhưng các cảm biến được sử dụng cho các loại quan sát này hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn 1 độ so với độ không tuyệt đối . Thiết bị của chúng tôi sẽ hoạt động ở nhiệt độ thực tế hơn, thậm chí có thể bằng nhiệt độ phòng.

Hình ảnh siêu cận âm có nhiều ứng dụng trong y học và khoa học sinh học, và nhiều công cụ thương mại có sẵn. Tuy nhiên, những thiết bị này, đều phức tạp và đắt hơn nhiều so với máy ảnh thông thường, hoặc quét từng pixel đối tượng hoặc có sự sắp xếp phức tạp của các sợi rô bốt hoặc bộ lọc. Hơn nữa, các thiết bị này không có độ nhạy đơn photon. Thiết bị của chúng tôi sẽ kích hoạt một máy ảnh đơn giản cung cấp hình ảnh siêu kính với độ nhạy đơn photon.

Ramesh: Nhóm của chúng tôi được thiết kế để chứng minh khả năng tồn tại và sức mạnh của nền tảng đồng thiết kế của chúng tôi, “Nguyên tử để kiến trúc”, được xây dựng dựa trên hai hiện tượng vật lý cơ bản:

Đầu tiên là một hành vi mới trong kiến trúc bóng bán dẫn dựa trên sắt điện, cung cấp một lộ trình để giảm tổng năng lượng tiêu thụ trong một thiết bị vi điện tử dựa trên silicon. (Chất sắt điện là một vật liệu có một lưỡng cực điện – hoặc một cặp điện tích âm và dương – có thể chuyển đổi với điện trường.) Thứ hai là thao tác điện trường điện áp thấp của spin điện tử bằng cách sử dụng một loại vật liệu mới được gọi là multiferroics.

Vào năm 2014, chúng tôi đã chứng minh một vật liệu điện từ có thể chuyển đổi điện tích thành spin từ tính ở điện áp đặt vào 5 vôn. Công việc hợp tác sau đó với các nhà nghiên cứu tại Intel đã cho thấy cách thức này có thể được sử dụng để tạo ra một loại thiết bị logic trong bộ nhớ mới, được gọi là thiết bị MESO, sử dụng các spin để thực hiện các hoạt động logic.

Đối với một trong những dự án trong chương trình của chúng tôi, chúng tôi sẽ sử dụng vật liệu điện từ của mình để khám phá các nguyên tố đa thời kỳ sẽ hoạt động ở 100 milivon, dẫn đến mức tiêu thụ năng lượng giảm đáng kể. (Một milivolt là một phần nghìn của vôn.)

Dự án thứ hai của chúng tôi là khám phá vật lý cơ bản của một thiết bị tụ điện, trong đó một lớp sắt điện được phủ trên một bóng bán dẫn silicon thông thường để nâng cao hiệu quả năng lượng của nó thông qua hiệu ứng điện dung âm. Thiết kế của chúng tôi sẽ cho phép một thiết bị vi điện tử thực hiện cả chức năng bộ nhớ và logic – Cách tiếp cận này hoàn toàn khác với các chip trong máy tính của chúng ta ngày nay, nơi một loại chip thực hiện logic hoặc xử lý dữ liệu và một loại chip khác lưu trữ dữ liệu.

Dự án “ Đồng thiết kế và tích hợp các cảm biến Nano trên CMOS” là sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Berkeley, Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia và UC Berkeley. Các điều tra viên đồng chính bao gồm Weilun Chao, Steve Holland, Mi-Young Im, Tevye Kuykendall, Francois Leonard, Yuan Mei, Andrew Nonaka, Katerina Papadopoulou, Greg Tikhomoirov, Archana Raja, Ricardo Ruiz và Jackie Yao.

 Dự án “Đồng thiết kế vi điện tử siêu thấp áp ngoài CMOS” là sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu tại Berkeley Lab và UC Berkeley. Các điều tra viên đồng chính bao gồm Sinéad Griffin, Lane Martin, Lavanya Ramakrishnan, Sayeef Saluhuddin, Padraic Shafer, John Shalf, Dilip Vasudevan và Jackie Yao.

Theo Scitechdaily