Tháng 8/2021, Intel lần đầu đề cập kế hoạch xây dựng "siêu nhà máy chip" tại Mỹ với quy mô đầu tư 100 tỷ USD và 10.000 công nhân nhằm chế tạo chip hiện đại với hàng tỷ bóng bán dẫn (transistor). Cùng tháng đó, sinh viên 22 tuổi Sam Zeloof công bố cột mốc bán dẫn của bản thân tại garage gia đình ở New Jersey (Mỹ).
Với bộ sưu tập thiết bị tái chế và tự chế, Zeloof tạo được một chip bán dẫn chứa 1.200 transistor, gọi là Z2. Anh đã cắt những tấm nền silicon, dùng tia cực tím khắc thiết kế siêu nhỏ và ngâm chúng vào axit để tạo nên mạch điện.
Zeloof và chip Z2 hồi tháng 8/2021. Ảnh: Wired
"Có thể tôi quá tự tin, nhưng tôi tin mình có thể làm được nếu người khác đã tìm ra phương thức, ngay cả khi tôi sẽ mất nhiều thời gian hơn", Zeloof nói.
Z2 là chip thứ hai do Zeloof sản xuất. Chip đầu tiên nhỏ hơn, ra mắt năm 2018, trong khi anh bắt đầu chế tạo từng bóng bán dẫn riêng lẻ trước đó một năm.
Những sản phẩm này đi sau Intel hàng chục năm, nhưng Zeloof nói vui rằng anh đang đạt tiến bộ nhanh hơn ngành bán dẫn giai đoạn sơ khai. Z2 có số bóng bán dẫn nhiều gấp 200 lần sản phẩm đầu tiên, vượt xa định luật Moore - định luật nói rằng số transistor trên mỗi chip sẽ tăng gấp đôi theo chu kỳ 18 tháng.
Zeloof hy vọng sẽ đạt quy mô tương tự 4004, dòng vi xử lý thương mại đầu tiên và mang tính đột phá được Intel ra mắt năm 1971 với 2.300 transistor. Sinh viên này bắt đầu nghiên cứu thiết kế bảng mạch có thể thực hiện phép toán cộng đơn giản từ tháng 12/2021.
Chip sản xuất tại nhà không thể xuất hiện trong thiết bị điện tử cao cấp, nhưng theo Zeloof, sở thích khác thường của anh cho thấy xã hội có thể hưởng lợi khi công nghệ chế tạo chip được phổ biến đến những nhà sáng chế mà không đòi hỏi ngân sách hàng triệu USD.
Garage của bố mẹ Zeloof, nơi chàng sinh viên 22 tuổi nghiên cứu chip. Ảnh: Wired
Chip bán dẫn khó chế tạo thế nào
Chế tạo chip máy tính thường được mô tả là một trong những quá trình sản xuất khó khăn, tốn kém và đòi hỏi sự chính xác nhất thế giới. Khi Zeloof bắt đầu chia sẻ dự án của mình với một số chuyên gia trong ngành bán dẫn, họ đã gửi email khẳng định điều này là bất khả thi.
Gia đình ủng hộ Zeloof nhưng cũng tỏ ra thận trọng. Cha cậu tìm đến một kỹ sư bán dẫn để xin lời khuyên về bảo đảm an toàn. "Phản ứng đầu tiên của tôi là cậu ta không thể làm được, đó chỉ là một cái garage", Mark Rothman, người có 40 năm kinh nghiệm trong ngành kỹ thuật chip bán dẫn, nói. Tuy nhiên, suy nghĩ của ông thay đổi dần khi chứng kiến những bước tiến của Zeloof. "Cậu ấy làm được những thứ mà tôi chưa bao giờ nghĩ có người làm được", ông nói.
Zeloof phải đọc rất nhiều tài liệu kỹ thuật và lịch sử để phục vụ dự án của mình. Các dây chuyền bán dẫn ngày nay được đặt trong những cơ sở khổng lồ, nơi hệ thống điều hòa và thông khí hoạt động liên tục để lọc bụi, tránh nhiễm bẩn các đế silicon đang chuyển hóa thành bộ xử lý. Zeloof không thể làm được điều đó, nên phải đọc các bằng sáng chế và sách giáo khoa trong thập niên 1960-1970, giai đoạn mà các kỹ sư vẫn chế tạo chip trên bàn làm việc thông thường.
Chàng sinh viên cũng tìm mua thiết bị từ hàng chục năm trước. Một trong những sản phẩm quý nhất là kính hiển vi điện tử bị hỏng được cậu mua với giá 1.000 USD và sửa chữa. Nó từng có giá 250.000 USD trong giai đoạn đầu thập niên 1990, được dùng để tìm kiếm khiếm khuyết trên chip.
Bóng bán dẫn trên bảng mạch của chip Z2. Ảnh: Wired
Tương tự nhà máy chip hiện đại, Zeloof phải ứng dụng quá trình quang khắc để chuyển thiết kế mạch lên đế silicon. Cậu không thể mua cỗ máy trị giá 150 triệu USD nên phải tìm phương án riêng, đó là gắn máy chiếu hội nghị vào một kính hiển vi. Nó sẽ chiếu thiết kế chip lên đế silicon được phủ vật liệu nhạy sáng.
Sản phẩm đầu tiên là chip Z1 với sáu bóng bán dẫn được sản xuất trên quy trình 175 micromet. Chip Z2 được trang bị 1.200 transistor với tốc độ nhanh gấp 10 lần, sở hữu những chi tiết nhỏ tới 10 micromet.
Zeloof mới nâng cấp máy quang khắc tự chế để có thể in những chi tiết nhỏ đến 0,3 micromet hay 300 nanomet, tương đương công nghệ của ngành bán dẫn giữa thập niên 1990. Anh cũng đang nghĩ tới các tính năng có thể tích hợp vào chip với quy mô ngang dòng Intel 4004.
"Tôi muốn thúc đẩy chip bán dẫn tự chế xa hơn nữa, cho mọi người thấy những gì chúng ta có thể làm được ngay tại nhà", Zeloof nói.
Điệp Anh (theo Wired)