Cứ mỗi lần nhắc tới quy trình sản xuất chip máy tính thì người ta lại nói tới Silic. Đây chính là thành phần cơ bản nhất của bất cứ bộ vi xử lý máy tính nào, tất nhiên là bao gồm thiết bị mà bạn đang dùng để đọc bài viết này. Vậy silic có gì đặc biệt và Tại sao nó được dùng làm chip máy tính? Rất nhiều điểm thú vị về nguyên tố độc đáo silic, từ những ứng dụng thường ngày, trong công nghệ cho tới cả sự sống ngoài Trái Đất nữa.
Silic (Si) là nguyên tố có số hiệu nguyên tử 14 trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, nặng hơn nhôm 1 proton và nhẹ hơn photpho 1 proton. Silic là một trong những thành phần cơ bản nhất trong vũ trụ và thậm chí nó được cho là dấu chỉ của sự sống ngoài Trái Đất không carbon (theo một số giả thuyết). Nó xuất hiện rất phổ biến trong cuộc sống của chúng ta, bao gồm cả vật liệu xây nhà, bộ ly thủy tinh, mặt kính màn hình,… và góp phần quan trọng tạo nên bộ vi xử lý của máy tính. Điều gì khiến Silic trở nên đặc biệt như vậy? Nhiều điều đặc biệt lắm!
Silic là thứ cơ bản nhất để tạo dựng nên nhiều thứ khác
Một trong những điểm đặc biệt đầu tiên của silic khá đơn giản: trữ lượng của chúng rất lớn. Silic là nguyên tố phổ biến đứng thứ 2 trên Trái Đất, chỉ sau oxy và chính vì thế, nó đang hiện hữu xung quanh bạn trong bất cứ lúc nào. Tuy nhiên, trong tự nhiên thì silic rất hiếm khi tồn tại ở trạng thái tinh khiết mà hầu như luôn nằm trong hợp chất với các nguyên tố khác. Những hợp chất phổ biến có chứa silic là silicat (SiO4) và silica (SiO2). Silica là hợp chất có độ cứng cao và được tìm thấy ngoài tự nhiên ở dạng cát hoặc thạch anh.
Silic đã giúp tạo nên bê tông và xây nên ngôi nhà của bạn đấy
Các hợp chất của silic có nhiều đặc tính hữu ích, chủ yếu là do chúng có liên kết nguyên tử rất chặt chẽ và có sự sắp xếp phức tạp. Nhiều loại hợp chất khác có chứa silic, như Canxi Silic, là thành phần chính trong xi măng - loại chất kết dính vô cùng phổ biến để tạo ra bê tông, vữa xây nhà và vừa trát tường. Một số loại vật liệu giàu silic còn được nung chảy để sản xuất đồ gốm có độ cứng cao (như sứ), sản xuất thủy tinh, kính,… Silic còn có thể xuất hiện như một chất phụ gia trong quá trình sản xuất những chất khác, như trong quá trình sản xuất gang, carbon và silic sẽ được dùng để làm cho sắt đàn hồi và ít giòn hơn.
Và quan trọng hơn nữa, silic còn là thành phần quan trọng trong cấu trúc của vật liệu tổng hợp silicon (chỗ này dễ gây nhầm lẫn đặc biệt là trong tiếng Anh, Silicon là từ tiếng Anh chỉ nguyên tố silic, còn vật liệu tổng hợp silicon trong tiếng Anh có tên gọi là Silicone, khác nhau chỉ có chữ e ở cuối thôi nhưng rất khác nhau mặc dù chúng có liên hệ mật thiết với nhau).
Silic trong chip máy tính
Quá trình sản xuất vi xử lý: từ cát thành silicon
Khi chọn một nguyên tố để sử dụng làm thành phần cơ bản trong bóng bán dẫn của máy tính, điều mà người ta quan tâm chính là điện trở. Dây dẫn cần có điện trở thấp để dòng điện có thể chạy qua dễ dàng, trong khi đó các chất cách điện thì tất nhiên phải có điện trở càng cao càng tốt để làm chậm hoặc ngăn chặn hoàn toàn dòng điện. Đối với bóng bán dẫn, vốn cần phải bật hoặc tắt đúng lúc, cần phải có sự dung hòa giữa dây dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn tốt nhất dành cho ngành công nghiệp điện tử là một dạng "chất kích tạp" (dopant), cho phép người ta điều chỉnh điện trở theo ý muốn.
Silic không phải là chất bán dẫn duy nhất trên Trái Đất và thậm chí, nó cũng không phải là chất bán dẫn tốt nhất hành tinh. Vậy silic có gì? Cho đến nay thì nó vẫn là chất bán dẫn phổ biến nhất trên Trái Đất. Chính xác hơn, silic có sẵn ở khắp mọi nơi, người ta có thể khai thác dễ dàng, các tập đoàn sản xuất chip không cần phải nhập khẩu nó từ bất cứ mỏ khai thác đặc biệt nào từ nước ngoài, cũng không cần phải mất nhiều thời gian, quy trình phức tạp hoặc ô nhiễm để tạo ra nó. Ngoài việc dễ sản xuất, điều quan trọng nhất là các nhà khoa học đã tìm được cách khả thi để sản xuất ra silic ở dạng tinh thể một cách hoàn hảo.
Hình ảnh thỏi tinh thể silic (ingot) gần như tinh khiết
Dễ dàng chế tạo, các tinh thể silic gần như tinh khiết là một trong những yếu tố cơ bản trong quá trình sản xuất chip máy tính hiện đại. Các tinh thể tạo thành sẽ được cắt thành những tấm mỏng, sau đó được khắc, xử lý và điều chỉnh trong hàng trăm cách khác nhau trước khi được tiếp tục cắt nhỏ thành từng khối và đóng gói vào các bộ vi xử lý thương mại. Thật ra người ta có thể chế tạo các bóng bán dẫn bằng carbon và thậm chí là bằng loại vật liệu kỳ lạ như gecmani, hoặc nhiều chất khác nhưng không chất nào trong số đó cho phép sản xuất số lượng lớn, tinh thể kích thước to và tinh khiết như silic (ít ra đến thời điểm hiện tại là không được).
Hiện tại, các tinh thể silic (ingot) được tạo ra dưới dạng hình trụ đường kính 300 mm, nhưng các nhà nghiên cứu nhanh chóng tiếp cận được tới ngưỡng 450 mm. Việc tăng đường kính các khối tinh thể silic giúp chi phí sản xuất tiếp tục giảm, nhờ đó tốc độ sản xuất tăng lên mà theo dự đoán là ít nhất trong 1 thập kỷ tới hoặc lâu hơn. Tất nhiên, nếu sau này người ta tìm ra một nguyên tố thay thế nào đó có đủ lý do để từ bỏ silic thì họ cũng đã từ bỏ nguyên tố phổ biến thứ 2 hành tình, và từ đó, có thể tốc độ xử lý sẽ tăng lên nhưng tin xấu là chắc chắn giá thành của sản phẩm cũng sẽ tăng theo.
Silic tạo nên sự sống ngoài Trái Đất?
Cụm từ "sự sống có nguồn gốc carbon" (carbon-based life) được nhắc tới thường xuyên và được người ta rất quan tâm, nhưng điều đó có ý nghĩa gì? Nó có nghĩa là các phân tử cấu trúc cơ bản tạo nên cơ thể con người chúng ta (như protein, axit amin, axit nucleic, axit béo,…) đều được xây dựng từ "bộ khung xương" các nguyên tử carbon. Đơn giản là do carbon có tính chất tuyệt vời là có hóa trị IV.
Oxy chỉ có thể tồn tại ở 2 dạng ổn định hóa học (khí O2 và nước H2O) và nito chỉ có 3 dạng ổn định, nhưng carbon có thể giữ được độ ổn định khi liên kết với 4 nguyên tử cùng lúc (điển hình là CH4). Hóa trị IV là cơ sở cho khả năng tạo nên những phân tử vừa đảm bảo độ bền vững, vừa có cấu trúc hình học phức tạp, và do đó, 2 tính chất này đã tạo tiền đề cho sự phát triển của tất cả sự sống được biết tới trong vũ trụ.
Silic trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học
Như ta đã biết về tính chất của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học thì các nguyên tố trong cùng một cột có tính chất hóa học tương tự nhau và ngay bên dưới carbon là silic. Đây rồi, đây chính là lý do mà các tiểu thuyết gia khoa học giả tưởng đã tốn không ít giấy mực để đề xuất ý tưởng về sự sống có nguồn gốc silic: cũng có hóa trị IV và nghiễm nhiên trở thành ứng cử viên sáng giá cho một hình thức hoàn toàn mới của sự sống. Silic cũng hoàn toàn có khả năng tạo ra những liên kết mạnh mẽ với các nguyên tử silic và với các nguyên tử nguyên tố khác. Do đó, vẫn có khả năng tồn tại những dạng sự sống có nguồn gốc từ silic. Nhưng đó là khả năng mà thôi!
Hãy nhớ rằng mặc dù silic là nguyên tố phổ biến thứ 2 trên Trái Đất, phổ biến hơn cả carbon nhưng có lý do để tại sao chúng ta có các hợp chất hữu cơ (có nguồn gốc carbon) mà lại không có hợp chất tương tự từ Silic. Trở lại bảng tuần hoàn, nói một cách đơn giản thì những nguyên tố nằm ở dòng thấp trong bảng tuần hoàn thì hạt nhân của nó nặng hơn và có lớp vỏ điện tử lớn hơn. Về mặt vật lý thì silic lớn hơn và nặng hơn carbon nên nó kém phù hợp với các siêu công việc, điển hình như tái tổ hợp DNA. Mặt khác, silic có mức độ phản ứng ít rộng hơn so với carbon, do đó sự sống dựa trên silic cũng ít đa dạng về mặt hóa học hơn hoặc nếu có, nó đòi hỏi phải được điều khiển bởi nhiều xúc tác enzym hơn để bắt các chất hóa học ít hoạt động được tạo thành nhằm đảm bảo sự tồn tại của tổ chức sống.
Biết đâu trong vũ trụ xa xôi kia đang có sự sống có nguồn gốc từ silic thì sao?
Một sự thật là mặc dù số lượng nguyên tử silic trên Trái Đất chiếm ưu thế vượt trội so với carbon, tỷ lệ xấp xỉ 1000:1 nhưng toàn bộ sự sống trên Trái Đất đều là các hợp chất hữu cơ. Tuy nhiên, biết đâu chừng ở một nơi xa xôi nào đó trong vũ trụ, silic lại là dấu hiệu của sự sống thì sao, câu trả lời hãy khép lại và chờ vào phát hiện của các nhà khoa học trong tương lai? Có nhiều loài vẫn sử dụng silic ở các mức độ khác nhau nhưng không có loài nào dùng nó làm cấu trúc cơ bản trong DNA. Sự sống dựa trên silic vẫn có khả năng tồn tại nhưng một khi có, thì khả năng cao là nó không bao giờ tiến tới mức độ phức tạp như Carbon đã làm được ở Trái Đất chúng ta.
Tạm khép lại, silic và mỗi người chúng ta
Ảnh minh họa
Silic đang hiện hữu ở tất cả mọi nơi trong cuộc sống của chúng ta, nó xuất hiện thường xuyên trên các dòng tin mà bạn đọc trên Tinh Tế mỗi khi đề cập tới vấn đề có liên quan tới vi xử lý, đặc biệt là nó xuất hiện nhiều lần trong bài viết này. Ngay cả khi người ta đang tìm kiếm cách dùng carbon và những nguyên tố khác để dùng làm nền tảng cho thế hệ điện toán tiếp theo, đây vốn là điều cần phải làm để thuận theo dòng chảy của lịch sử của ngàng điện toán rằng những thứ ra đời sau phải nhanh, mạnh hơn cái trước đó, nhưng silic vẫn tiếp tục là sự lựa chọn trong nhiều lĩnh vực.
Chúng ta sẽ tìm được một cách mới và hoàn thiện hơn để kiểm soát khả năng điều chỉnh dòng điện? Có thể lắm chứ! Chúng ta sẽ phát hiện ra rằng silic đang tạo nên toàn bộ sự sống bên ngoài vũ trụ ngoại trừ Trái Đất? Có thể không mặc dù nó có thể. Dù sao đi nữa thì ít nhất, có lẽ chúng ta sẽ không bao giờ từ bỏ một nguyên tố cực kỳ phổ biến chỉ sau oxy, có mặt ở khắp mọi nơi và có vô vàng ứng dụng trong đời sống con người, từ xây dựng, vật dụng cho tới công nghệ,… Do đó, khi sử dụng sản phẩm nào có liên quan tới silic trong cuộc sống thì cũng cần phải thầm cảm ơn loại nguyên tố kỳ diệu này - nguyên tố đã góp phần chủ yếu tạo nên lớp vỏ Trái Đất của chúng ta.
Nguồn tinhte.vn (ndminhduc)
Tham khảo Wiki, Mashable, Wheatonma, ESC, BC, Extremetech, Mksilicon