Công nghệ bán dẫn và những "ngách" nghiên cứu nhỏ mang giá trị lớn

Hai nhà khoa học nghiên cứu công nghệ bán dẫn nổi tiếng Hàn Quốc là Giáo sư Park Inkyu, Chủ nhiệm tại Viện Khoa học và Công nghệ tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) và Giáo sư Lee Young Hee, Viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc (KAST), Giám đốc Trung tâm Vật lý Cấu trúc Nano tích hợp (CINAP) tại Đại học Sungkyunkwan (SKKU) đã chia sẻ về những nghiên cứu của mình, từ đó đưa ra những lời khuyên cho hướng phát triển bán dẫn của Việt Nam.

Nhân chuyến công tác và làm việc tại Hà Nội, trong khuôn khổ sự kiện kết nối InnovaConnect do Quỹ VinFuture phối hợp với Đại học Bách khoa Hà Nội tổ chức mới đây, Giáo sư Park Inkyu nhận định, thiết bị bán dẫn cho xử lý trí tuệ nhân tạo (AI) và bộ xử lý đồ họa (GPU) với tốc độ và bộ nhớ dung lượng cao là hai lĩnh vực tiềm năng nhất trong ngành công nghiệp bán dẫn tương lai mà Việt Nam nên quan tâm chú trọng.

Còn Giáo sư Lee Young Hee thì cho rằng, Việt Nam cần tập trung vào phát triển những công nghệ và vật liệu mới, đột phá hơn, cải thiện hiệu suất thiết bị để có thể cạnh tranh với các quốc gia vốn đã mạnh về ngành bán dẫn.

Họ đều là những nhà khoa học có đóng góp lớn cho công nghệ bán dẫn Hàn Quốc, khi đi sâu vào những nghiên cứu về mũi điện tử và vật liệu thay thế silicon trong thiết bị bán dẫn của nước này.

Cảm biến nhận dạng khí (mũi điện tử) để theo dõi khí độc

Một trong những "ngách" nhỏ của công nghệ bán dẫn đang được nhiều nhà khoa học quan tâm là những công nghệ mới trong lĩnh vực cảm biến tiên tiến, đặc biệt là cảm biến nhận dạng khí (mũi điện tử).

Với sự ra đời của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4, việc sử dụng Internet vạn vật (IoT) và các cảm biến tiên tiến trong một số lĩnh vực, như ở các nhà máy thông minh, trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, môi trường và giải trí đã gia tăng đáng kể.

Tuy nhiên, việc triển khai số lượng cảm biến ngày càng tăng trong các hệ thống IoT đã khiến việc giảm kích thước và mức tiêu thụ điện năng của chúng trở nên vô cùng quan trọng nhưng cũng đầy thách thức. Do đó, nhu cầu về các cảm biến thu nhỏ, tiêu thụ điện năng thấp hoặc tự cấp nguồn ngày càng tăng.

"Những nghiên cứu của tôi phản ánh tầm quan trọng của công nghệ cảm biến nhận dạng khí đối với cuộc sống thường ngày và cả trong quá trình lao động sản xuất, tập trung vào việc phát triển cảm biến khí công suất thấp để theo dõi nhiều loại khí độc khác nhau", Giáo sư Park Inkyu cho biết.

Những khí này có thể xuất hiện trong nhà hoặc khu vực công nghiệp như nhà máy sản xuất chất bán dẫn hay nhà máy lọc dầu. Quá trình sản xuất sẽ thải ra nhiều loại khí độc, đòi hỏi chúng ta cần nhiều cảm biến khí để theo dõi theo thời gian thực.

"Tuy nhiên, hầu hết các cảm biến khí thương mại hiện nay khá cồng kềnh và đắt tiền, khiến việc giám sát khí độc theo thời gian thực còn nhiều hạn chế. Mục tiêu của chúng tôi là phát triển một loại cảm biến nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng, có thể tích hợp vào điện thoại di động hoặc thiết bị đeo để mọi người có thể theo dõi khí độc ảnh hưởng đến sức khỏe", ông nói.

Cụ thể, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Park Inkyu đang phát triển loại cảm biến khí có khả năng tích hợp cao, sử dụng công nghệ tiên tiến gọi là cảm biến khí dựa trên Micro LED.

"Chúng tôi sử dụng một vi đèn LED rất nhỏ để chiếu sáng vào vật liệu cảm biến. Vật liệu này sẽ phản ứng với ánh sáng theo các cách khác nhau tùy thuộc vào môi trường khí xung quanh. Sau đó, chúng tôi sử dụng công nghệ học sâu (deep learning) để phân tích phản ứng của vật liệu cảm biến với ánh sáng từ micro LED và xác định loại khí tồn tại trong môi trường", ông giải thích.

Theo GS Park Inkyu, ngành công nghiệp bán dẫn hiện nay sử dụng rất nhiều hóa chất độc hại, bao gồm khí ăn mòn và hóa chất xử lý trong quy trình sản xuất. Do đó, việc theo dõi các loại hóa chất độc hại này trong cơ sở sản xuất là vô cùng quan trọng để bảo vệ sức khỏe nhân viên.

Hơn nữa, khi ngành công nghiệp bán dẫn tiếp tục phát triển, kích thước của các thiết bị bán dẫn ngày càng nhỏ lại, đòi hỏi chất lượng quy trình sản xuất cần phải được cải thiện. Điều này đồng nghĩa với việc lượng khí độc hại thải ra cũng phải được kiểm soát chặt chẽ hơn. Chỉ một lượng nhỏ khí độc cũng có thể làm hỏng sản phẩm và gây ra sự cố trên thiết bị. Do vậy, ngành công nghiệp bán dẫn cần rất nhiều cảm biến khí và hướng đến tính bền vững để bảo đảm môi trường làm việc an toàn và sản phẩm chất lượng.

Việc giám sát liên tục môi trường, đặc biệt là chất lượng không khí, là điều cần thiết để đảm bảo sự bền vững. Giữ gìn môi trường trong lành là yếu tố quan trọng cho sự phát triển lâu dài. Do đó, việc phát triển cảm biến khí chất lượng cao, giá thành thấp và đa chức năng là vô cùng quan trọng.

Cảm biến khí và những hướng nghiên cứu phù hợp với Việt Nam

Giáo sư Park Inkyu đưa ra một số gợi ý để nghiên cứu ứng dụng cảm biến khí ở Việt Nam. Theo ông, ngành công nghiệp sản xuất ô-tô cần sử dụng rất nhiều cảm biến khí để phát triển xe điện và bảo đảm an toàn cho hệ thống năng lượng điện. Việc giám sát pin là rất quan trọng bởi pin có thể xảy ra hiện tượng thoát nhiệt (thermal runaway) dẫn đến cháy nổ. Để ngăn chặn hiện tượng này, cần có thiết bị phát hiện khí độc từ pin. Do đó, các công ty trong lĩnh vực này có thể quan tâm đến các loại cảm biến để theo dõi xe điện.

Ngoài ra, phương tiện giao thông chủ yếu ở Việt Nam là xe máy, loại phương tiện thải ra rất nhiều khí thải. Do vậy, việc kiểm soát chất lượng không khí là rất quan trọng. Mọi người sẽ quan tâm đến việc theo dõi và kiểm soát chất lượng không khí.

Cảm biến khí có thể được tích hợp vào điện thoại di động hoặc các thiết bị đeo để nâng cao chất lượng cuộc sống không chỉ cho người lao động trong các ngành công nghiệp mà còn cho những người dân bình thường sử dụng trong cuộc sống hằng ngày.

GS Park Inkyu tin rằng, Hàn Quốc có thể hợp tác cùng Việt Nam để phát triển ngành công nghiệp bán dẫn. Sự hợp tác giữa Hàn Quốc và Việt Nam trong lĩnh vực bán dẫn sẽ mang lại lợi ích cho cả hai quốc gia. Việt Nam sẽ có cơ hội phát triển ngành công nghiệp công nghệ cao, tạo ra nhiều việc làm và thúc đẩy tăng trưởng kinh tế. Hàn Quốc sẽ có thể mở rộng thị trường và tiếp cận nguồn nhân lực chất lượng cao.

GS Park Inkyu cho biết, hiện nay có nhiều xu hướng quan trọng trong ngành công nghiệp bán dẫn, nhưng ông nhận định hai lĩnh vực tiềm năng nhất là:

Thiết bị bán dẫn cho xử lý AI:  Nhu cầu về trí tuệ nhân tạo (AI) đang tăng nhanh chóng, đòi hỏi cần có những thiết bị bán dẫn chuyên dụng để xử lý các thuật toán AI.

Bộ xử lý đồ họa (GPU) với tốc độ và bộ nhớ dung lượng cao:  Việc xử lý dữ liệu lớn (big data) và học máy (machine learning) ngày càng phổ biến trong nhiều lĩnh vực như y tế, tài chính, sản xuất... đòi hỏi cần có các GPU có hiệu suất tính toán cao hơn và bộ nhớ dung lượng lớn để lưu trữ và truy cập dữ liệu nhanh chóng.

"Đây cũng thực sự là những xu hướng rất quan trọng trong ngành công nghiệp chất bán dẫn Hàn Quốc. Tôi tin rằng đây là những lĩnh vực mà Việt Nam nên tập trung nghiên cứu và đầu tư để phát triển ngành công nghiệp bán dẫn trong tương lai", ông nói.

"Tôi nghĩ nếu Việt Nam có thể đầu tư nhiều hơn vào việc trao đổi con người và chia sẻ ý tưởng thông qua các nền tảng hợp tác quốc tế cởi mở, điều này sẽ giúp thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng cho ngành công nghiệp bán dẫn và các nghiên cứu liên quan", GS Park Inkyu khẳng định.

Tìm vật liệu bán dẫn mới ngoài công nghệ silicon

Giáo sư Lee Young Hee đã dành 15 năm qua để nghiên cứu về các vật liệu bán dẫn khác với silicon, cụ thể là các vật liệu bán dẫn hai chiều (2D) xếp lớp. Theo ông, nó có tiềm năng to lớn trong thế hệ công nghệ bán dẫn tiếp theo.

So với silicon, vật liệu 2D xếp lớp sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội, bao gồm hiệu suất cao hơn, độ linh động cao cho phép tính toán tốc độ cao hơn, và mức tiêu thụ điện năng thấp – yếu tố then chốt cho điện toán lượng tử trong tương lai. Đây chính là những thành phần quan trọng cho bước tiến tiếp theo của ngành bán dẫn.

"Trước đây, việc sản xuất vật liệu 2D quy mô wafer luôn là một thách thức lớn đối với ngành công nghiệp bán dẫn. Tuy nhiên, nhờ những tiến bộ vượt bậc ngày nay, chúng ta đã có thể chế tạo thành công ở quy mô như vậy. Đây là một bước tiến quan trọng, mở ra cánh cửa cho việc ứng dụng rộng rãi vật liệu 2D trong các thiết bị điện tử", Giáo sư Lee Young Hee cho hay.

Việc tìm kiếm những công nghệ mới thay thế cho silicon là vô cùng quan trọng. Việt Nam có thể tận dụng cơ hội này để cạnh tranh với các quốc gia đi đầu trong lĩnh vực bán dẫn, như Hàn Quốc.

Giáo sư Lee Young Hee

Với những tiến bộ vượt bậc về vật liệu và hiệu suất thiết bị, chúng ta có nền tảng vững chắc để tiếp tục nghiên cứu và phát triển công nghệ bán dẫn 2D. Đây chính là mục tiêu mà tôi đã và đang theo đuổi.

Mặc dù các nhà khoa học (trong ngành silicon) đang cố gắng cải tiến công nghệ, nhưng chắc chắn sẽ có một giới hạn nhất định. Và cách để vượt qua giới hạn này là sử dụng các vật liệu 2D xếp lớp.

"Khi trình bày tại Đại học Bách khoa Hà Nội, tôi đã chia sẻ một cách tổng quan về các vật liệu mới này, lý do tại sao chúng quan trọng hơn silicon và những cải tiến đã được thực hiện cho đến nay với các vật liệu 2D xếp lớp", ông cho biết.

Theo Giáo sư Lee Young Hee, hiện nay, công nghệ silicon đóng vai trò chủ đạo trong ngành công nghiệp bán dẫn, với sự phát triển được dẫn dắt bởi định luật Moore. Tuy nhiên, công nghệ này đang dần tiến đến giới hạn cơ bản, chẳng hạn giới hạn về khả năng thu nhỏ kích thước xuống vài nanomet và giới hạn cơ học lượng tử.

"Vì vậy, việc tìm kiếm những công nghệ mới thay thế cho silicon là vô cùng quan trọng. Việt Nam có thể tận dụng cơ hội này để cạnh tranh với các quốc gia đi đầu trong lĩnh vực bán dẫn, như Hàn Quốc", ông nhận định.

Tuy nhiên, theo ông, việc đơn thuần tiếp nối công nghệ silicon sẽ không giúp Việt Nam đạt được lợi thế cạnh tranh. Thay vào đó, cần tập trung vào phát triển những công nghệ mới, đột phá hơn, tập trung vào việc phát triển các vật liệu mới và cải thiện hiệu suất thiết bị để có thể cạnh tranh trong tương lai, đặc biệt là trong lĩnh vực điện toán lượng tử.

Về yếu tố then chốt cho sự thành công của Việt Nam, Giáo sư Lee Young Hee cho rằng, đó là nguồn nhân lực chất lượng cao và văn hóa làm việc chăm chỉ, sáng tạo.

"Tôi đã có cơ hội làm việc với nhiều sinh viên Việt Nam và thực sự ấn tượng với tinh thần cầu tiến và sự cống hiến của họ. Đây là một lợi thế lớn mà Việt Nam cần phát huy để phát triển ngành công nghiệp bán dẫn", ông nói.

Tuy nhiên, theo ông, Việt Nam cũng cần bổ sung những cơ sở hạ tầng cần thiết, bao gồm cả thiếu hụt về nhân lực trình độ cao và trang thiết bị hiện đại.

"Dù vậy, tôi vẫn tin rằng Việt Nam có cơ hội để phát triển ngành công nghiệp bán dẫn, và điều này cũng phụ thuộc rất nhiều vào sự quyết tâm và chiến lược phát triển của Chính phủ", Giáo sư Lee Young Hee khẳng định.

Theo nhandan.vn