Mỹ tạo đột phá với vật liệu giúp chip chạy nhanh gấp 1.000 lần

Chìa khóa giúp máy tính hoạt động ở tốc độ terahertz

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Northeastern vừa công bố một bước tiến mang tính cách mạng trong ngành vật liệu – công nghệ có thể thay đổi hoàn toàn thiết kế chip hiện đại. Họ đã tìm ra phương pháp gọi là “thermal quenching” – kỹ thuật làm thay đổi trạng thái của vật liệu bằng cách kiểm soát quá trình làm nóng và làm lạnh, từ đó cho phép thiết bị điện tử chuyển đổi nhanh giữa hai trạng thái: dẫn điện và cách điện.

Kỹ thuật này được ứng dụng trên một vật liệu lượng tử đặc biệt, có tên 1T-TaS₂. Khác với silicon – vật liệu cơ bản trong chip hiện nay vốn đã chạm trần về hiệu năng – 1T-TaS₂ cho phép xử lý thông tin nhanh gấp 1.000 lần, tức ở mức terahertz thay vì gigahertz như hiện tại.

Giáo sư Alberto de la Torre, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: “Công nghệ này không chỉ tăng tốc mà còn thay đổi cách chúng ta thiết kế thiết bị điện tử. Chúng tôi có thể kiểm soát vật liệu bằng ánh sáng, giúp nó chuyển trạng thái tức thì – điều chưa từng có trước đây.”

Một điểm đột phá quan trọng là nhóm nghiên cứu đã kích hoạt trạng thái dẫn điện bằng ánh sáng gần nhiệt độ phòng, thay vì yêu cầu điều kiện siêu lạnh như trước. Điều này mở ra khả năng ứng dụng vào thực tế sản xuất thiết bị điện tử dân dụng mà không đòi hỏi hệ thống làm mát phức tạp.

Thiết bị điện tử sẽ nhỏ hơn, mạnh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn

Hiện tại, chip điện tử cần được tạo nên từ nhiều lớp vật liệu với các vai trò khác nhau – lớp dẫn điện, lớp cách điện, lớp truyền tín hiệu… Sự phức tạp này khiến việc thu nhỏ thiết bị gặp nhiều rào cản, đồng thời giới hạn tốc độ xử lý.

Tuy nhiên, với vật liệu lượng tử mới, các nhà khoa học có thể tích hợp cả hai trạng thái – dẫn và cách điện – vào cùng một lớp vật liệu duy nhất. Và chỉ bằng ánh sáng, họ có thể điều khiển vật liệu chuyển đổi tức thì giữa hai trạng thái này.

Điều đó có nghĩa là chip tương lai sẽ không chỉ nhỏ hơn, mà còn mạnh mẽ hơn, tiết kiệm năng lượng hơn và đơn giản hơn trong khâu sản xuất. Giáo sư Gregory Fiete nhận định: “Không gì nhanh bằng ánh sáng. Và giờ, chúng tôi dùng ánh sáng để điều khiển vật liệu ở tốc độ gần như giới hạn vật lý cho phép.”

Ông cũng cho biết công nghệ hiện nay – vốn dựa vào việc xếp chồng các lớp chip silicon – đang dần đạt giới hạn. Việc chuyển sang sử dụng vật liệu lượng tử không chỉ là lựa chọn thay thế, mà là một hướng đi tất yếu nếu muốn tiếp tục phát triển máy tính nhanh hơn và nhỏ hơn trong tương lai.

Phát hiện này có thể đóng vai trò tương tự như bóng bán dẫn từng làm trong quá khứ – đặt nền móng cho cuộc cách mạng máy tính cá nhân, smartphone và mọi thiết bị điện tử hiện đại. Giờ đây, 1T-TaS₂ và kỹ thuật thermal quenching có thể là bước tiếp theo trong hành trình tiến hóa công nghệ, đưa nhân loại bước vào kỷ nguyên điện toán siêu tốc và thu nhỏ hóa phần cứng đến cực hạn.