Chíp điện tử (electronics chip) còn gọi là mạch tích hợp (integrated circuit) hiện diện khắp nơi trong các dụng cụ điện tử ngày nay như máy tính, truyền hình, xe hơi, điện thoại di động. Nếu không có nó thì đời sống sẽ không tiện nghi như bây giờ.
Trước khi có chíp điện tử
Trước khi có transistor thì người ta phải dùng đèn chân không (vacuum tube) trong các dụng cụ điện tử. Nhưng đèn chân không hay hỏng và phát ra rất nhiều nhiệt. Do đó các nhà nghiên cứu tìm cách thay thế đèn chân không. Năm 1947, ba ông John Bardeen, Walter Brattain và William Shockley tại Bell Labs sáng chế ra transistor để thay thế đèn chân không. Vì sáng chế này ba ông đã được trao giải Nobel Vật Lý năm 1956.
Transistor làm từ những chất bán dẫn (semiconductor). Như tên gọi, chất bán dẫn không hẳn là chất dẫn điện mà cũng không hẳn là chất cách điện. Transistor gồm có ba lớp chất bán dẫn, lớp nào cũng có thể dẫn điện. Transistor là một cái ngắt điện mà có thể khởi động bằng một tín hiệu điện. Vì điện ở đầu ra cao hơn điện ở đầu vào nên transistor cũng có thể dùng làm mạch khuếch đại (amplifier).
Nối vài transistor với nhau theo một mô hình nào đó là có thể làm ra một cổng lô-gic (logic gate). Dùng đại số Bun (Boolean algebra) thì những cổng lô-gic có thể cho ra một đáp số cho một bài toán đơn giản. Ðó là ý căn bản của các chương trình máy tính. Càng nhiều transistor nối với nhau thì càng có thể làm được nhiều việc khó khăn hơn. Bộ vi xử lý (microprocessor) Core i7 của công ty Intel có tới 731 triệu transistor.
Transistor là chất liệu căn bản cho tất cả các dụng cụ điện tử ngày nay. Nhưng phải chờ có mạch tích hợp thì kỹ nghệ điện tử mới bộc phát.
Lịch sử chíp điện tử
Trước khi có mạch tích hợp thì người ta dùng transistor và phải dùng dây điện nối transistor với nhau và với các thiết bị khác để làm thành một mạch điện. Các dây điện phải được hàn vào bằng tay. Như vậy khó làm cho nhỏ được. Nếu không thu nhỏ được thì khó mà có thể chế tạo những mạch điện phức tạp cho máy tính được. Trong thập niên 1950 các công ty kỹ nghệ cố tìm mọi cách để thu nhỏ các mạch điện, càng nhỏ càng tốt.
Hai người phát minh ra mạch tích hợp
Ông Jack Kilby và ông Robert Noyce được xem là hai người phát minh ra mạch tích hợp đầu tiên vào cuối năm 1958 và đầu năm 1959.
Theo truyện kể trên Internet thì ông Kilby lúc đó là một nhân viên mới của công ty Texas Instrument, chưa có ngày nghỉ. Trong hai tuần vào Tháng Tám, khi công ty TI đóng cửa và mọi người đều đi nghỉ Hè thì một mình ông Kilby ở lại làm việc trong một phòng thí nghiệm trống vắng. Ông ngồi nghĩ tới công tác được giao phó, đó là làm sao thu nhỏ mạch điện lại. Ông có một ý kiến độc đáo chưa có ai nghĩ tới. Ông đề nghị làm tất cả các thành phần từ một chất liệu bán dẫn (semiconductor material).
Khi mọi người trở lại làm việc thì ông Kilby trình bày ý kiến mới của mình lên các sếp lớn và được cho phép làm một mẫu thử nghiệm mạch điện theo ý kiến đó. Tháng Chín, 1958, ông Kilby trình làng mạch tích hợp đầu tiên. Mạch này đã được thử thành công. Vì sáng kiến này ông Kilby được trao giải Nobel Vật Lý năm 2000.
Ông Robert Noyce lúc bấy giờ làm cho một công ty nhỏ là Fairchild Semiconductor. Trong khi ông Kilby chú trọng tới chi tiết của mỗi thành phần thì ông Noyce nghĩ tới việc kết nối các thành phần.
Công ty Fairchild Semiconductor nộp hồ sơ xin bằng sáng chế cho phát minh của ông Noyce sau khi TI nộp cho ông Kilby nhưng lại được chấp thuận trước. Do đó hai công ty kiện nhau tơi bời trong suốt một thập niên. Sau cùng hai ông đều được công nhận là người sáng chế ra mạch tích hợp. Ông Noyce qua đời trước khi ông Kilby được giải Nobel. Nếu không, chắc ông Noyce cũng được chia giải Nobel với ông Kilby.
Mặc dù mạch tích hợp đầu tiên còn thô sơ và có nhiều thiếu sót, nhưng đó là một sáng kiến đột phá. Cách chế tạo mọi thành phần cùng trên một vật liệu đã đem lại nhiều điều lợi. Một là có thể làm toàn thể mạch tích hợp nhỏ lại rất nhiều. Hai là có thể chế tạo mạch tích hợp tự động và rẻ tiền. Kỹ nghệ điện tử ở vùng Santa Clara Valley bên California bộc phát từ đấy. Chất bán dẫn điện được dùng nhiều nhất là chất cilic (silicon) nên Santa Clara Valley được biết đến là Silicon Valley.
Quy luật Moore (Moore’s law)
Từ khi hai ông Kilby và Noyce phát minh ra mạch tích hợp thì người ta luôn luôn tìm cách nhét càng nhiều transistor và các thành phần khác vào một chíp điện tử càng tốt. Mục đích là chế tạo ra những dụng cụ điện tử nhỏ và gọn. Vì càng nhỏ thì càng có hiệu năng hơn và càng nhiều thành phần thì càng mạnh. Bạn thử so sánh máy tính 10 năm trước và máy tính xách tay bây giờ sẽ thấy rõ sự khác biệt. Máy tính xách tay hiện nay rẻ hơn, nhẹ hơn và mạnh hơn trước rất nhiều.
Vào năm 1965, ông Gordon Moore, một sáng lập viên của công ty Intel, đưa ra một tiên đoán mà sau này người ta gọi là quy luật Moore. Ông Moore nhận thấy là số transistor trong một inch vuông của chíp điện tử tăng gấp đôi mỗi năm. Ông tiên đoán là điều đó sẽ vẫn còn đúng trong tương lai. Về sau thì người ta sửa lại và nói rằng số transistor trong một inch vuông tăng gấp đôi mỗi hai năm.
Cho đến vài năm gần đây quy luật Moore vẫn khá đúng. Bây giờ transistor đã thu nhỏ tới mức 45 nano mét bề rộng, trong khi đó một sợi tóc trung bình dày khoảng 100,000 nano mét.
Các loại và ứng dụng chíp điện tử
Tùy theo các áp dụng, mạch tích hợp được phân thành ba loại: loại tương tự (analog), loại dạng số (digital) và loại hỗn hợp. Loại mạch tích hợp tương tự hoạt động liên tục trong một phạm vi nào đó của tín hiệu. Loại mạch tích hợp dạng số chỉ hoạt động trên một vài mức định trước. Khi cả hai loại trên được kết hợp ngay trên một con chíp thì gọi đó là chíp điện tử hỗn hợp.
Ứng dụng của mạch tích hợp tương tự: Bộ khuếch đại, máy thu thanh, bộ điều hòa điện áp.
Có rất nhiều ứng dụng của mạch tích hợp dạng số: Máy tính, truyền hình, xe hơi, microwave, máy ảnh, phi cơ, phi thuyền, những máy móc hiện đại hầu như cái nào cũng có chíp điện tử trong đó, thí dụ như máy giặt hay máy rửa chén.
Loại mạch tích hợp hỗn hợp thường dùng cho máy biến tương tự số (analog to digital converter).
Tương lai của chíp điện tử
Sự tăng trưởng theo quy luật Moore có lẽ đã tới lúc phải chậm lại. Vì sự giới hạn của vật chất, không thể làm transistor nhỏ mãi được. Hiện nay các nhà nghiên cứu đang tìm những phương thức khác để tăng cường khả năng của máy tính. Thí dụ như áp dụng vật lý lượng tử (quantum physics) để có máy tính lượng tử (quantum computer). Biết đâu trong tương lai sẽ có những phát minh đột phá về mạch tích hợp hay máy tính.
