6 hours ago
3
Quảng Cáo
0943778078
Tuy nhiên đây mới chỉ là một nguyên mẫu của phòng thí nghiệm và con đường trở thành một sản phẩm thương mại còn xa mới trở thành sự thực.
Vào ngày 14 tháng 5 năm 2026, nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Tokyo công bố trên tạp chí Science một thiết bị bán dẫn hoàn toàn mới, có khả năng xử lý một đơn vị thông tin nhỏ nhất trong vòng 40 picosecond, tức 40 phần nghìn tỷ giây.
Để so sánh, chip thông thường hiện nay cần khoảng một nanosecond để hoàn thành cùng tác vụ trước khi nhiệt độ tăng vọt đến mức nguy hiểm. Nói cách khác, thiết bị mới của nhóm nghiên cứu Nhật Bản nhanh gấp đúng 1.000 lần.
Điều khiến thành tựu này thực sự gây chú ý không chỉ là tốc độ, mà là việc tốc độ đó đạt được mà gần như không sinh thêm nhiệt. Từ trước đến nay, ngành bán dẫn vận hành theo một nguyên tắc bất di bất dịch: chip xử lý càng nhanh, nhiệt lượng tỏa ra càng lớn.
Tiếng quạt tản nhiệt rít lên mỗi khi máy tính chạy tác vụ nặng là biểu hiện quen thuộc nhất của nguyên tắc này. Nhóm nghiên cứu Đại học Tokyo vừa chứng minh nguyên tắc đó không nhất thiết phải đúng.
Tại sao chip hiện tại càng nhanh càng nóng
Để hiểu tại sao đây là đột phá, cần hình dung cách chip máy tính lưu thông tin hiện nay. Mọi dữ liệu trong máy tính đều được biểu diễn bằng các bit, mỗi bit chỉ có hai trạng thái là số 0 hoặc số 1. Chip truyền thống dùng dòng điện để phân biệt hai trạng thái này: có điện là số 1, không có điện là số 0. Để bit không bị mất, dòng điện phải chạy liên tục qua hàng tỷ bóng bán dẫn trên chip.
Vấn đề là dòng điện chạy qua vật liệu dẫn điện luôn sinh ra nhiệt, đây là định luật vật lý không thể tránh khỏi. Chip càng xử lý nhiều tác vụ trong cùng một giây, dòng điện chạy càng mạnh, nhiệt sinh ra càng lớn. Đến một ngưỡng nhất định, nhiệt độ cao sẽ gây lỗi tính toán hoặc phá hủy linh kiện. Đó là lý do mọi chiếc máy tính đều cần quạt tản nhiệt, và cũng là lý do chip không thể cứ tăng tốc mãi mà không gặp giới hạn.
Thay dòng điện bằng từ tính, nhiệt biến mất
Nhóm Tokyo giải quyết vấn đề này bằng cách bỏ hoàn toàn dòng điện liên tục ra khỏi phương trình lưu trữ thông tin. Thay vì dùng có điện hay không có điện để biểu diễn số 1 và số 0, thiết bị mới dùng hướng của một lực từ cực nhỏ bên trong vật liệu.
Ảnh: Nikkei
Hãy hình dung một chiếc la bàn thu nhỏ đến kích thước nguyên tử. Kim la bàn có thể chỉ về phía bắc hoặc phía nam, tương ứng với số 1 và số 0. Quan trọng là kim la bàn giữ nguyên hướng đó mà không cần năng lượng duy trì liên tục, giống như một nam châm vĩnh cửu không cần điện để giữ nguyên cực từ của nó. Đây chính là cách thiết bị mới lưu trữ thông tin, hoàn toàn không phụ thuộc vào dòng điện liên tục.
Về mặt vật liệu, thiết bị gồm hai lớp mỏng xếp chồng lên nhau trên nền thủy tinh. Lớp trên là tantalum, một kim loại có khả năng dẫn và lưu trữ xung điện ngắn. Lớp dưới là Mn3Sn (Mangan Thiếc), một hợp chất có tính chất từ đặc biệt ở trạng thái phản sắt từ, nghĩa là cấu trúc từ bên trong vật liệu này cực kỳ ổn định và không bị nhiễu bởi từ trường bên ngoài.
Khi cần ghi một bit thông tin, một xung điện cực ngắn, chỉ kéo dài vài chục picosecond, được bắn qua lớp tantalum. Xung này tạo ra một lực đủ mạnh để xoay hướng từ bên trong lớp Mn3Sn theo chiều mong muốn. Sau khi xung điện dừng lại, lớp Mn3Sn giữ nguyên hướng từ đó mà không cần thêm bất kỳ năng lượng nào. Thông tin được ghi xong, dòng điện ngừng hoàn toàn, nhiệt không còn lý do để xuất hiện.
Điểm mấu chốt là xung điện chỉ cần tồn tại trong khoảnh khắc cực ngắn để thực hiện việc ghi, không phải chạy liên tục để duy trì thông tin. So sánh với chip truyền thống phải giữ dòng điện chạy mãi để không mất dữ liệu, mức tiêu thụ năng lượng giảm xuống chỉ còn một phần nhỏ, và nhiệt sinh ra giảm theo tỷ lệ tương ứng.
Kết quả thử nghiệm và con đường phía trước
Trong điều kiện phòng thí nghiệm, thiết bị vận hành ổn định qua hơn 100 tỷ chu kỳ mà không xảy ra sự cố. Cùng điều kiện tốc độ đó, chip thông thường đã quá nhiệt và ngừng hoạt động sau chỉ 10 triệu chu kỳ. Nhóm nghiên cứu cũng phát hiện thêm một đặc tính quan trọng: hiệu năng của thiết bị cải thiện khi thu nhỏ kích thước linh kiện, mở ra khả năng giảm tiêu thụ điện xuống còn một phần trăm mức hiện tại trong các thế hệ tiếp theo.
Nếu công nghệ này được đưa vào sản xuất thực tế, tác động sẽ lan rộng từ thiết bị cá nhân đến hạ tầng điện toán quy mô lớn. Một chiếc máy tính xách tay hiện nay cần sạc mỗi ngày có thể hoạt động được ba tháng trên cùng một lần sạc. Dữ liệu hiện mất một giờ để tải xuống có thể được xử lý trong một giây.
Ở cấp độ hạ tầng, một trung tâm dữ liệu lớn như của Google hiện tiêu thụ lượng điện tương đương 80.000 hộ gia đình có thể giảm xuống còn mức tiêu thụ của 800 hộ, tức tiết kiệm 99% điện năng. Đây là con số có ý nghĩa đặc biệt trong bối cảnh các trung tâm dữ liệu phục vụ trí tuệ nhân tạo đang tiêu thụ điện với tốc độ ngày càng khó kiểm soát.
Tuy nhiên, khoảng cách từ phòng thí nghiệm đến thị trường còn rất dài. Tantalum, một trong hai vật liệu cốt lõi của thiết bị, là kim loại hiếm đang có nhu cầu cao trong nhiều ngành công nghiệp, và việc đảm bảo nguồn cung ổn định cho sản xuất đại trà là bài toán chưa có lời giải. Thiết bị cũng chưa được thử nghiệm trong điều kiện thực tế bên ngoài môi trường phòng thí nghiệm kiểm soát chặt chẽ.
Nhóm nghiên cứu cho biết nguyên mẫu chip đầu tiên dự kiến hoàn thành vào năm 2030, còn phiên bản thương mại sẽ còn đến nhiều năm sau mốc đó. Vật lý học đã được chứng minh, nhưng hành trình từ chứng minh vật lý đến dây chuyền sản xuất đại trà là một thách thức hoàn toàn khác.
