Cơ bản về ngành công nghiệp chip và bán dẫn

Trong xã hội hiện đại và cuộc sống hàng ngày, chúng ta thường xuyên sử dụng nhiều sản phẩm điện tử hoặc điện gia dụng như máy tính, điện thoại, TV, tủ lạnh, máy giặt, v.v.

Những sản phẩm điện tử này thường đều có ít nhất một tấm bo mạch màu xanh, .. Các tấm mạch này được gọi là bo mạch điện tử. Tên chính thống hơn là bo mạch in, viết tắt là PCB (Printed Circuit Board, đôi khi còn được gọi là PWB, Printed Wire Board).

Trên PCB, có nhiều linh kiện điện tử được hàn , như tụ điện, điện trở, cuộn cảm và nhiều loại khác. Chúng ta cũng có thể thấy một số linh kiện hình vuông màu đen.

Linh kiện này rất có thể là một con chip (gọi bằng tiếng Anh là chip).

CHIP là gì ?

Chip thực chất là một thuật ngữ tương đối chung chung. Theo Wiki Vi mạch (tiếng Anh: microchip) hay vi mạch tích hợp, hoặc mạch tích hợp (tiếng Anh: integrated circuit, gọi tắt IC, còn gọi là chip theo thuật ngữ tiếng Anh) là tập các mạch điện chứa các linh kiện bán dẫn (như transistor) và linh kiện điện tử thụ động (như điện trở) được kết nối với nhau, để thực hiện được một chức năng xác định. Tức là mạch tích hợp được thiết kế để đảm nhiệm một chức năng như một linh kiện phức hợp.

Như khái niệm chung chung trên Wiki , đối với các thiết bị điện tử, nó được ẩn giấu bên trong và rất quan trọng, nó tương đương với hệ thống trung tâm như động cơ ô tô và trái tim con người nên được gọi là “lõi” (core). Xét về hình dáng thì nó là từng mảnh nên gọi là “mảnh”. Gộp lại với nhau, chúng là những “con chip”.

Nói chung, chip là một mạch tích hợp. Cả hai có thể được đánh đồng và sử dụng thay thế cho nhau.

Mạch tích hợp tương đối dễ xác định. Thông qua công nghệ cụ thể, các linh kiện điện tử như bóng bán dẫn, điện trở, tụ điện và điốt được tích hợp trên một đế duy nhất để tạo thành một vi mạch, được gọi là mạch tích hợp.

Nếu chất nền này được làm bằng vật liệu bán dẫn (chẳng hạn như silicon) hoặc mạch tích hợp được làm từ tấm wafer vật liệu bán dẫn thì đó là mạch tích hợp bán dẫn.

Mạch tích hợp theo nghĩa truyền thống của chúng ta về cơ bản đề cập đến mạch tích hợp bán dẫn. Vì vậy, đôi khi các từ bán dẫn, chip và mạch tích hợp thường được sử dụng thay thế cho nhau.

Nếu bạn xem xét kỹ, vẫn có một số khác biệt giữa chip và mạch tích hợp.

Một số quan điểm trong ngành công nghiệp cho rằng:

Mạch tích hợp là các mạch và đơn vị cơ bản chủ yếu nhấn mạnh việc thực hiện một chức năng nhất định, chẳng hạn như một hoạt động logic nhất định. Trong các tình huống như thiết kế mạch, thuật ngữ này sẽ được sử dụng thường xuyên hơn.

Con chip là một khái niệm mang tính vĩ mô và hướng đến sản phẩm hơn. Sau khi thiết kế, chế tạo, đóng gói và thử nghiệm, dạng sản phẩm có thể sử dụng trực tiếp được coi là chip. Khi nhấn mạnh vào công dụng, người ta sẽ thường xuyên sử dụng thuật ngữ “chip” hơn, chẳng hạn như chip CPU, chip AI, chip baseband, v.v.

Một số người còn định nghĩa chip là: “một sản phẩm linh kiện bán dẫn có mục đích chung chứa một hoặc nhiều mạch tích hợp và có thể đạt được một chức năng cụ thể”. Nói cách khác, chip là tên gọi chung cho các sản phẩm linh kiện bán dẫn.

Nếu so sánh, sự khác biệt giữa chất bán dẫn và mạch tích hợp rõ ràng hơn:

Chất bán dẫn bao gồm: mạch tích hợp + thiết bị rời rạc + thiết bị quang điện tử + cảm biến.

Sự khác biệt chính giữa các mạch tích hợp và ba mạch còn lại là mức độ tích hợp. Số lượng bóng bán dẫn trong mạch tích hợp lớn hơn nhiều so với các thiết bị rời rạc, thiết bị quang điện tử và cảm biến. Ngoài ra, vật liệu nền thường khác nhau.

Hiện tại, quy mô thị trường kết hợp của các thiết bị quang điện tử, thiết bị rời rạc và cảm biến chỉ chiếm khoảng 10% toàn bộ thị trường bán dẫn.

Vì vậy, có thể nói: Mạch tích hợp là thành phần quan trọng nhất của chất bán dẫn.

Các Loại CHIP

Chip là một tập hợp các mạch thực hiện các chức năng cụ thể. Nó có các đặc tính mô-đun, có thể tạo điều kiện cho các nhà sản xuất nhanh chóng thiết kế và phát triển sản phẩm, giảm bớt khó khăn khi phát triển và rút ngắn chu kỳ phát triển.

Trong nhiều thập kỷ, công nghệ bán dẫn đã phát triển nhanh chóng theo Định luật Moore, kích thước của chip ngày càng nhỏ hơn và ngày càng có nhiều mạch được chứa trong đó, giúp giảm đáng kể kích thước, giá thành và mức tiêu thụ điện năng của thiết bị điện tử. các sản phẩm.

Nó không chỉ cải thiện chất lượng cuộc sống của chúng ta mà còn dẫn đầu cuộc cách mạng công nghệ thông tin và thúc đẩy sự tiến bộ của toàn bộ nền văn minh nhân loại.

Ngày nay, chip có rất nhiều ứng dụng và có nhiều chủng loại.

Phương pháp phân loại của Thống kê Thương mại Chất bán dẫn Thế giới (WSTS) có thẩm quyền và chính thức hơn. Họ chia tất cả các loại mạch tích hợp thành: Analog, Micro, Logic và Memory.

Ở cấp độ không chính thức, việc phân loại mang tính tùy tiện hơn.

Theo chức năng, chúng ta thường chia chip thành: chip điện toán, chip lưu trữ, chip truyền thông, chip cảm biến, chip năng lượng và chip giao diện.

Các loại chip mà chúng ta quen thuộc hơn bao gồm:

Theo cấp độ, chip có thể được chia thành cấp tiêu dùng, cấp công nghiệp, cấp ô tô, cấp quân sự và cấp hàng không vũ trụ. Theo khái niệm thiết kế, nó cũng có thể được chia thành chip đa năng (CPU, GPU, v.v.) và chip chuyên dụng (AISC).

Chúng ta cũng có thể phân chia theo quy trình xử lý, chẳng hạn như 28nm, 14nm, 7nm và 5nm mà mọi người thường nghe thấy. Hoặc, nó có thể được chia theo vật liệu bán dẫn, chẳng hạn như silicon (Si), germanium (Ge), gallium arsenide (GaAs), gallium nitride (GaN), v.v. Chúng tôi sẽ giới thiệu lại những điều này khi nói về quy trình sản xuất chip sau.

Trên thực tế, ngoài chip điện, hiện nay chúng ta còn phát triển chip quang học (chẳng hạn như công nghệ quang tử silicon), sử dụng ánh sáng thay vì dòng điện để truyền tín hiệu.

Từ góc độ của mạch tích hợp, có nhiều cách phân loại.

Theo quy trình sản xuất, mạch tích hợp có thể được chia thành mạch tích hợp bán dẫn và mạch tích hợp màng (mạch tích hợp màng sử dụng kim loại, gốm sứ, v.v.). Mạch tích hợp màng được chia thành mạch tích hợp màng dày và mạch tích hợp màng mỏng.

Theo thuộc tính mạch, chúng ta cũng có thể chia nó thành mạch tích hợp kỹ thuật số, mạch tích hợp tương tự và mạch tích hợp tín hiệu hỗn hợp.

Các mạch tích hợp kỹ thuật số, như tên cho thấy, xử lý tín hiệu số. Mạch tích hợp xuất hiện nhiều nhất xung quanh chúng ta, chẳng hạn như bộ vi xử lý (CPU, GPU, v.v.), bộ xử lý tín hiệu số (DSP) và bộ vi điều khiển (MCU), v.v., đều là các mạch tích hợp kỹ thuật số.

Mạch tích hợp analog chủ yếu được sử dụng trong cảm biến, chip nguồn, bộ khuếch đại hoạt động, v.v. và chủ yếu được sử dụng để khuếch đại, lọc, giải điều chế, trộn và các chức năng khác của tín hiệu analog.

Mạch tích hợp tín hiệu hỗn hợp là các mạch tương tự và kỹ thuật số được tích hợp trên một chip. Bạn có thể đoán rằng các chip chuyển đổi tương tự sang số (ADC) và kỹ thuật số sang tương tự (DAC) thuộc loại này.

Theo số lượng (quy mô) của các thiết bị vi điện tử được tích hợp trên chip, mạch tích hợp có thể được chia thành các loại sau:

Chuyên nghiệp hơn, theo loại độ dẫn điện, mạch tích hợp cũng có thể được chia thành mạch tích hợp lưỡng cực và mạch tích hợp đơn cực.

Quy trình sản xuất mạch tích hợp lưỡng cực phức tạp, tiêu thụ điện năng lớn, các mạch tích hợp tiêu biểu bao gồm TTL, ECL, HTL, LST-TL, STTL và các loại khác.

Mạch tích hợp đơn cực có quy trình sản xuất đơn giản và mức tiêu thụ điện năng thấp nên dễ dàng chế tạo các mạch tích hợp quy mô lớn.Các mạch tích hợp tiêu biểu bao gồm CMOS, NMOS, PMOS, v.v.

Những danh từ trên sẽ được giải thích chi tiết theo nguyên lý hoạt động của con chip sau.

Cấu trúc bên trong con CHIP

Như chúng tôi đã đề cập trước đó, các con chip đều trông giống như những mảnh hình vuông màu đen. Đôi khi, nó còn có vỏ kim loại màu bạc (thiết kế này giúp tbảo vệ và tạo điều kiện tản nhiệt). Ví dụ một loại CPU phổ biến :

Con chip sau khi được đóng gói sẽ trở nên như thế này (một công đoạn trong quy trình sản xuất chip). Chỉ khi loại bỏ “lớp vỏ” chúng ta mới thực sự nhìn thấy được phần lõi bên trong của con chip. Phóng to bằng kính hiển vi, nó trông như thế này:

Vòng tròn bên ngoài là các chân (pins). Đường mảnh là đường dẫn đầu. Phần hình vuông ở giữa là mạch thật của chip.

Trong không gian ba chiều, với rất nhiều lớp, dày đặc, giống như một siêu mê cung hay một thành phố tương lai. Trên hình, từng cái một, tất cả đều được kết nối với nhau. Các đối tượng chúng được kết nối là bóng bán dẫn.

Số lượng bóng bán dẫn trong một con chip thường thể hiện khả năng của con chip. Càng nhiều bóng bán dẫn, càng nhiều mạch, càng nhiều chức năng và sức mạnh tính toán. Ngày nay, khi nhiều nhà sản xuất phát hành chip, họ luôn nhấn mạnh đến việc có bao nhiêu bóng bán dẫn trong chip.
Bạn có thể quan sát hình ảnh chi tiết hơn bên trong một CPU Pentium 3 của Intel

Chip có nhiều loại từ đơn giản (nói một cách tương đối) đến phức tạp. Một số chip phức tạp cũng được chia thành các mô-đun chức năng khác nhau. Các mô-đun này cùng nhau tạo thành một hệ thống, trở thành SoC (System on Chip, system-on-chip).

Các con chip chính dành cho điện thoại di động chẳng hạn như Qualcomm Snapdragon, MediaTek Dimensity và HuaweiKirin, đều là các chip SoC điển hình. Con chip này bao gồm CPU, GPU, APU, ISP, baseband, tần số vô tuyến, v.v.

Tại sao các bóng bán dẫn trong chip có thể hoàn thành nhiều nhiệm vụ khác nhau như tính toán và lưu trữ? Chúng ta thường có ý nghĩa gì khi nói đến các cổng logic, MOSFET, FinFET và các điểm nối PN?

Các bóng bán dẫn trong chip có khả năng thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau nhờ vào sự linh hoạt trong thiết kế và tính đa dạng của các thành phần cơ bản như cổng logic, MOSFET, FinFET và các điểm nối PN. Việc này cho phép chúng thực hiện không chỉ các chức năng tính toán mà còn cung cấp khả năng lưu trữ dữ liệu, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của công nghệ hiện đại.

Các Cổng Logic:
Các cổng logic là các khối xây dựng cơ bản cho việc thực hiện các phép toán logic trong vi điều khiển và chip bán dẫn. Chúng bao gồm các mạch như AND, OR, NOT và nhiều loại khác, cho phép xử lý các tín hiệu điện theo luật logic. Sự kết hợp và sắp xếp các cổng logic tạo ra các mạch logic phức tạp có khả năng thực hiện các chức năng tính toán phức tạp.

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor):
MOSFET là một loại transistor được sử dụng rộng rãi trong vi điều khiển và chip bán dẫn. Chúng có khả năng kiểm soát dòng điện thông qua một điện áp điều khiển. MOSFET có thể được sử dụng để xây dựng cổng logic cũng như các mạch lưu trữ dữ liệu. Sự linh hoạt của MOSFET trong việc kiểm soát dòng điện làm cho chúng trở thành một phần quan trọng trong việc thực hiện nhiều chức năng trên cùng một chip.

FinFET:
FinFET là một cải tiến của MOSFET với cấu trúc ba chiều (3D), giúp tăng cường hiệu suất và tiết kiệm năng lượng. Cấu trúc FinFET cho phép kiểm soát dòng điện tốt hơn và giảm độ suy giảm, cung cấp khả năng thực hiện các chức năng tính toán và lưu trữ một cách hiệu quả hơn.
Hiện nay công nghệ FinFET cũng đang được dần dần thay thế bởi công nghệ mới hơn. Theo CEO Kissinger từ Intel, con chip hiện tại có tối đa khoảng 100 tỷ bóng bán dẫn. Với sự phát triển của công nghệ SOP trong tương lai, mật độ của chip sẽ tăng lên 1 nghìn tỷ bóng bán dẫn vào năm 2030, gấp 10 lần mức hiện tại.

Để đạt được mật độ bóng bán dẫn tăng gấp 10 lần, nhà sản xuất cần phải có những bước đột phá về công nghệ. Công nghệ bóng bán dẫn FinFET hiện đang được sử dụng đã đạt đến giới hạn. Intel sẽ từ bỏ công nghệ FinFET . Intel sẽ chuyển sang Công nghệ RibbonFET trong quy trình 20A sản xuất hàng loạt vào năm 2024 và PowerVIA.
RibbonFET là công nghệ của Intel với thiết kế transistor GAA ( Gate All Around). Đây sẽ là kiến trúc bóng bán dẫn mới đầu tiên của công ty kể từ khi Intel đi tiên phong với công nghệ FinFET vào năm 2010. Công nghệ này tăng tốc độ chuyển mạch bóng bán dẫn trong khi vẫn đạt được dòng truyền động nhưng với diện tích nhỏ hơn.
Từ các công nghệ như silicon căng, cổng kim loại có hàm lượng K cao, bóng bán dẫn ba chiều FinFET, đến bóng bán dẫn cổng vòm RibbonFET GAA trong tương lai, bộ nguồn phía sau PowerVia, đến Foveros 2.5D EMIB+3D, công nghệ đóng gói Foveros Direct/Omni, Intel đã và đang phát triển từ nhiều lĩnh vực côngnghệ khác nhau theo Định luật Moore. Intel sẽ tích hợp 1 nghìn tỷ bóng bán dẫn trên một con chip đơn lẻ.

Điểm Nối PN (PN Junctions):
Điểm nối PN là kết hợp giữa vùng bán dẫn âm (P) và vùng bán dẫn dương (N). Chúng tạo ra các chức năng như diode và transistor. Khi kết hợp với nhau, điểm nối PN cho phép kiểm soát dòng điện và được sử dụng để xây dựng các vi mạch lưu trữ dữ liệu.

Tổ hợp linh hoạt và tối ưu hóa của các thành phần này trong việc thiết kế chip cho phép chúng thực hiện nhiều chức năng khác nhau trong một thiết bị duy nhất. Sự phát triển liên tục trong ngành công nghệ bán dẫn đã tạo ra các thiết kế chip ngày càng phức tạp và hiệu suất cao, cung cấp nền tảng cho sự đa dạng và tính linh hoạt trong việc thực hiện các chức năng đa dạng từ tính toán đến lưu trữ.

Nhờ vào tính linh hoạt và khả năng tích hợp của các thành phần này, chip bán dẫn đã trở thành cốt lõi không thể thiếu trong hầu hết các thiết bị điện tử ngày nay, từ điện thoại di động đến máy tính cá nhân và thiết bị thông minh. Sự tiến bộ trong công nghệ bán dẫn liên tục mở ra cánh cửa cho việc phát triển và tối ưu hóa các chức năng và ứng dụng mới cho các chip trong tương lai.