Công nghệ có mặt trong hầu hết các thiết bị điện tử trên thế giới là chip IC (tức vi mạch tích hợp) đang kỷ niệm 50 năm ngày ra đời. Thành công và ứng dụng lâu bền chip của IC là nhờ hai người Mỹ đã phát triển nó: Jack Kilby và Robert Noyce.

Jack Kilby và những con chip IC hiện đại

Trong số 24 phát minh mà hãng tin CNN liệt kê, 1/4 trên tổng số hơn 100 nghìn độc giả cho rằng bộ vi xử lý làm từ chất bán dẫn silicon đem đến nhiều tác động nhất đối với cuộc sống của con người trong nửa thế kỷ qua.

Đứng ở vị trí thứ 2 là mạng liên kết toàn cầu World Wide Web nhận được 20% số phiếu lựa chọn. Máy tính cá nhân xếp thứ 3 với 17% số phiếu. Phát minh công nghệ thu hút ít người quan tâm nhất là máy nghe nhạc Walkman với vẻn vẹn 140 độc giả bầu chọn.

Chip silicon được 2 kỹ sư điện người Mỹ, Jack Kilby và Robert Noyce, sáng chế ra năm 1961. Phát minh này đã tạo ra một cuộc cách mạng công nghệ theo xu hướng mini hoá mọi thứ, đồng thời đặt tiền đề cho sự phát triển của ngành máy tính hiện đại.

Trước khi chip ra đời, hầu hết các thiết bị điện được thiết kế theo công nghệ bóng chân không, vừa to cồng kềnh vừa hao tốn năng lượng. Sau đó, sự ra đời của bóng bán dẫn (transistor) đã phần nào giải quyết được vấn đề nhưng những thứ này vẫn đòi hỏi phải được kết nối vào bảng mạch. Kilby và Noyce đã nghĩ tới một giải pháp mới: kết hợp các linh kiện khác nhau trong một mạch điện tích hợp (IC) làm từ vật liệu bán dẫn. Noyce, đồng sáng lập hãng Intel, đã xúc tiến việc sử dụng chất liệu silicon và vì thế được coi là người đặt vế đầu cho cái tên Silicon Valley (Thung lũng Silicon). Khi phát minh ra chip IC, Jack Kilby làm việc cho công ty Texas Instruments (TI), còn Robert Noyce, một người đồng sáng lập hãng Intel sau này, làm giám đốc bộ phận nghiên cứu và phát triển tại công ty Fairchild Semiconductor.

Jack Kilby và Robert Noyce, những người phát minh ra chip điện tử IC

Jack Kilby và những con chip IC hiện đại

Ngành công nghiệp sản xuất chip trên toàn cầu ngày nay có doanh số khoảng 300 tỷ USD mỗi năm. Ngành công nghệ thông tin đằng sau đó sẽ không thể tồn tại nếu thiếu chiếc linh kiện nhỏ bé này. Các con chip là bộ não và hệ thống thần kinh của mọi thiết bị điện tử, từ máy tính cho đến những chiếc điện thoại iPhone thời thượng. Chip IC cũng đang tìm đường vào nhiều thiết bị hơn như xe hơi và tủ lạnh để tăng hiệu suất hoạt động.

Vào năm 1960, những chiếc máy tính không mạnh bằng những chiếc PC giá 1.000 USD ngày nay đã đòi hỏi cả một căn phòng rộng mới chứa nổi nó và có trị giá lên tới 10 triệu USD. Sở dĩ có sự thay đổi vượt bậc về mọi mặt từ tốc độ cho đến giá thành của máy tính là nhờ những con chip điện tử IC.

Trong thập kỷ 50, ngành công nghiệp điện tử của thế giới chỉ mới bắt đầu sử dụng các loại bóng bán dẫn (transistor), ống hai cực (diode), thiết bị điện trở (resistor) và các linh kiện khác để thay thế đèn chân không. Tuy nhiên các loại mạch mới này khi đó vẫn còn cồng kềnh và hết sức đắt tiền. Đúng lúc đó Jack Kilby nảy ra ý tưởng kết hợp tất cả các loại mạch đó vào một con chip. Trong bài thuyết trình sau khi nhận giải Nobel Vật lý năm 2000, Kilby bày tỏ: "Vào năm 1958, các mục tiêu của tôi hết sức đơn giản là giảm giá thành và đơn giản hóa các bộ phận lắp ráp, khiến mọi thứ trở nên nhỏ và đáng tin cậy hơn".

Còn ý tưởng của Robert Noyce là tích hợp transistor và các linh kiện khác vào một mảnh silicon đơn nhất để tạo ra con chip. Trước khi ông có ý tưởng này, hãng Fairchild Semiconductor nơi ông làm việc đã sản xuất các transistor trên một miếng silicon, sau đó cắt chúng ra và bán riêng lẻ. Theo hầu hết các tài liệu, Jack Kilby đã giới thiệu con chip đang hoạt động đầu tiên cho ban giám đốc công ty Texas Instruments vào ngày 12-9-1958. Đây chính là ngày được coi là thời điểm ra đời của linh kiện điện tử đặc biệt quan trọng đã góp phần làm thay đổi thế giới này.

Chip IC nguyên thủy do Jack Kilby sáng chế

Nhưng Robert Noyce và các nhà nghiên cứu khác tại công ty Fairchild Semiconductor, gồm một đồng sáng lập khác của hãng Intel là Gordon Moore, đã bắt tay vào nghiên cứu ý tưởng riêng của họ và giới thiệu linh kiện vi mạch tích hợp ít lâu sau đó. Moore cho rằng, con chip IC của Noyce có tính thực tế và dễ sản xuất hơn so với của Kilby.

Chip IC nguyên thủy do Jack Kilby sáng chế

Kết quả là một cuộc chiến về bản quyền đã nổ ra xung quanh con chip IC để xác định ai là cha đẻ đích thực của linh kiện và hưởng lợi tác quyền từ nó. Jack Kilby đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế trước, nhưng đơn của Noyce lại được duyệt nhanh hơn và ông trở thành người đầu tiên giành được bằng sáng chế chip điện tử IC.

Ngay sau đó, một ủy ban thẩm định lại đã quyết định trao bằng sáng chế cho Jack Kilby của hãng Texas Instruments, căn cứ trên những ngày tháng và ghi chép trong sổ nghiên cứu của ông. Tuy nhiên, sau một cuộc chiến pháp lý kéo dài hàng thập kỷ, các luật sư của hãng Fairchild Semiconductor đã giành lại bằng sáng chế cho Robert Noyce.

Mặc dù vậy, những tranh cãi trong tòa án chỉ là vấn đề ở đằng sau một cuộc tranh cãi quy mô hơn về cách thức tốt nhất để sản xuất những con chip điện tử này. Theo Jack Kilby, ý tưởng về vi mạch tích hợp vào thời điểm đó đã bị các nhà nghiên cứu khác công kích vì họ cho rằng nó sẽ rất khó sản xuất thành phẩm.

Những người khác thì chỉ trích công nghệ do đã không sử dụng những loại chất liệu tốt nhất vốn sẵn có cho các loại vi mạch điện tử. Một số nhà nghiên cứu thậm chí còn lo ngại rằng, vi mạch tích hợp sẽ khiến các nhà thiết kế kiểu mạch truyền thống trên khắp thế giới bị mất việc làm.

Trong bối cảnh đó, các cha đẻ của chip IC (vi mạch tích hợp) như Jack Kilby, Robert Noyce và Gordon Moore đều chung sức bảo vệ cho công nghệ mới của mình và phổ biến kiến thức về khả năng ứng dụng cũng như hiệu quả mạnh mẽ của nó. Hai công ty của họ là Texas Instruments và Fairchild Semiconductor đã nhanh chóng dàn xếp bất đồng và bắt đầu sử dụng chip IC trong các sản phẩm như máy tính cầm tay do Texas Instruments sản xuất năm 1964.

Tuy nhiên, sự hợp tác đó không xảy ra trong các trường hợp đề cập đến người nào đã phát minh ra chip IC và vấn đề tiền bản quyền sáng chế. Nhiều tài liệu cho thấy cả Kilby và Noyce đều mô tả họ như những người đàn ông đích thức và chân thực trong vấn đề này. Jack Kilby được nhận giải Nobel Vật lý năm 2000, còn Robert Noyce cũng có thể được hưởng niềm vinh quanh này nếu ông không qua đời trước đó 10 năm.

Robert Noyce (trái) và Gordon Moore

Ngoài ra, Jack Kilby còn được ghi nhận đóng góp trong các chương trình không gian và quân sự của Mỹ liên quan đến sáng chế về chip IC. Quân đội Mỹ đã sử dụng linh kiện này trong tên lửa hạt nhân Minuteman vốn được sản xuất để đối phó với nguy cơ tấn công hạt nhân của Liên Xô trong Chiến tranh Lạnh, trong khi NASA sử dụng chip IC trong sứ mệnh chinh phục mặt trăng của tàu Apollo.

Bên cạnh những tên tuổi kể trên còn có nhiều người khác có đóng góp quan trọng vào việc ra đời con chip IC hiện đại, gồm các nhà phát minh ra transistor là William Shockley, John Bardeen và Walter Brattain. Đây là các chuyên gia của phòng thí nghiệm Bell Laboratories, những người chung giải Nobel Vật lý năm 1956. Ngoài ra còn có Leo Esaki, một nhà nghiên cứu về chất bán dẫn và cũng được nhận giải Nobel Vật lý năm 1973.

Bắt đầu từ những năm 1990 người ta đã thực hiện việc tích hợp nhiều processor cores hay các components sẵn có lên một đế silicon. Về sau chẳng biết vô tình hay cố ý người ta đã đặt cho nó một cái tên là SoC (System on Chip)), tiếng Việt có thể dịch nôm na là Hệ thống trên một vi mạch hay hệ thống SoC (phát âm là sốc).

SoC đã mở ra một kỹ nguyên mới trong lĩnh vực tích hợp các components có sẵn và tích hợp nhiều processors nhằm mục đích tăng hiệu suất thiết kế và cải thiện tính năng làm việc của hệ thống. Ở thời điểm này chúng ta gặp phải nhiều vấn đề khó khăn về công nghệ và kỹ thuật. Hai trong những khó khăn đó là:

- Chuẩn hóa giao diện của các components.

- Validate toàn bộ hệ thống với yêu cầu đảm bảo các đặc tính chức năng và đặc tính vật lý của SoC.

Lúc bấy giờ hầu hết các components trong các SoC vẫn kết nối với nhau thông qua Bus hoặc thông qua các kết nối điểm - điểm (point to point). Với hai loại kết nối này thì tùy thuộc vào ứng dụng mà ngưòi ta có thể lựa chọn một trong hai loại kết nối hoặc sử dụng đồng thời cả hai loại kết nối trong cùng một chip SoC. Thường thì kết nối theo kiểu Bus vẫn được ưa dùng hơn vì kết nối Bus đem lại hiệu quả cao hơn và các components có thể chia sẻ chung kênh truyền thông. Bên cạnh đó giá thành thực hiện kết nối Bus cũng thấp hơn, hiệu quả hơn.

Tuy nhiên, càng về sau với công nghệ silicon cải tiến, việc kết nối thông qua Bus đã xuất hiện những hạn chế ví dụ như:

- Bus chỉ có thể kết nối hiệu quả từ 5-10 communication parners. Số lượng parner càng lớn thì băng thông càng nhỏ. Hơn nữa nếu kết nối quá nhiều parner thì sẽ rất khó khăn trong việc kiểm soát thông tin.

- Một vấn đề nữa xuất phát từ đặc tính vật lý của Công nghệ deep submicron. Nếu bus kéo dài thì sẽ xuất hiện những vấn đề không mong đợi như (hiệu suất thấp; không thể dự đoán các thức hoạt động cũng như thông tin trên bus; công suất tiêu thụ cao; hiện tượng nhiễu bus;... )

- Một vấn đề nữa là trong tương lai gần, kết nối bus sẽ trở thành một rào cản cho sự phát triển các ứng dụng công nghệ vì rằng chúng ta sẽ rất khó khăn trong việc thiết kế cũng như kiểm tra inter-task communication trong một hệ thống.

Chính vì những nguyên nhân đó, khoảng đầu năm 1999 đã có một số nhóm nghiên cứu về phương pháp kết nối và trao đổi thông tin trong các SoC hiện tại và tương lai. Một trong những phương pháp được đề xuất đó là Network on Chip. Và thuật ngữ NoC cũng bắt đầu từ đây.

Ngày nay, các con chip IC và SoC đóng vai trò to lớn trong việc đổi mới công nghệ để tiếp tục làm cho các thiết bị điện tử ngày càng trở nên nhỏ hơn về kích thước, nhưng lại mạnh mẽ và giá thành rẻ hơn, ví dụ như chiếc điện thoại di động màn hình cảm ứng tích hợp cả khả năng máy tính, máy chơi nhạc và máy ảnh có giá thành dưới 200 USD.

(theo PC World, Wikipedia, VnExpress...)

Bạn Có Đam Mê Với Vi Mạch hay Nhúng - Bạn Muốn Trau Dồi Thêm Kĩ Năng