• Thứ Hai, 04/07/2011 14:12 (GMT+7)

    Bộ xử lý chất dẻo

    Đức Quang
    Hai linh kiện mới được phát triển gần đây gồm bộ xử lý chất dẻo (plastic processor) và bộ nhớ in (printed memory) cho thấy máy tính không chỉ dựa trên vật liệu silicon.

    Silicon là một trong những vật liệu thiết yếu được sử dụng trong quá trình sản xuất chip vi xử lý dành cho máy tính và nhiều thiết bị khác nhưng do đặc tính "rắn" không uốn cong được nên silicon không thể ứng dụng cho những thiết bị cần sự mềm dẻo, dễ uốn cong. Bộ xử lý máy tính đầu tiên và các chip nhớ (memory chip) được làm bằng chất bán dẫn dẻo (plastic semiconductor) cho thấy, một ngày nào đó tất cả mọi nơi sẽ bị bao phủ bởi sức mạnh của máy tính.

    Các nhà nghiên cứu tại châu Âu đã sử dụng 4.000 bóng bán dẫn (transistor) bằng nhựa, hay chất hữu cơ, để tạo ra bộ vi xử lý dẻo (plastic microprocessor) khoảng 2cm vuông và được gắn vào một lá nhựa dẻo dễ uốn. So với sử dụng silicon, cách chế tạo mới này có lợi thế hơn, giá thấp hơn và dễ uốn hơn, ông Jan Genoe thuộc trung tâm công nghệ nano IMEC tại Leuven, Bỉ cho biết. 

    Bộ vi xử lý được làm từ chất bán dẫn dẻo, nhỏ hơn, dễ uốn và rẻ hơn so với bộ vi xử lý silicon.

    Cho đến thời điểm này, bộ xử lý chỉ có thể chạy chương trình đơn giản với 16 mã lệnh (instruction). Các mã lệnh được được lập trình sẵn, không sửa được (hardcoded) đưa vào lá khắc với các mạch dẻo (plastic circuit) thứ hai được kết nối với bộ xử lý để "nạp" chương trình. Điều này cho phép bộ xử lý tính toán trung bình chạy của một tín hiệu gửi đến, việc này chip liên quan đến việc xử lý tín hiệu từ bộ cảm biến có thể thực hiện. Chip này chạy với tốc độ 6Hz, chậm hơn một triệu lần so với chip máy tính để bàn mới và chỉ có thể xử lý 8bit, các bộ xử lý máy tính hiện nay là 128bit. 

    Trước đây, các bán dẫn hữu cơ đã được đưa vào sử dụng trong các màn hình LED, thẻ RFID nhưng chưa được sử dụng để sản xuất bất kỳ bộ xử lý nào. Mãi đến tháng 2/2011 vừa qua, bộ vi xử lý dẻo mới được trình diễn tại hội nghị quốc tế về vi mạch bán dẫn - ISSCC 2011, diễn ra tại San Jose, California (Mỹ).
     

    Để tạo ra một bộ xử lý dẻo, các nhà khoa học đã dùng một tấm nhựa dẻo dày 25 µm và phủ lên trên cùng một lớp điện cực vàng, tiếp theo là một lớp cách điện bằng nhựa, một lớp điện cực vàng khác và cuối cùng các chất bán dẫn dẻo tạo nên bộ xử lý 4.000 bóng bán dẫn (transistor). Những transistor này được tạo ra bằng cách tản giọt chất lỏng hữu cơ trên lá chất dẻo thành một lớp mỏng. Sau đó lá chất dẻo được đun nóng, chất lỏng sẽ biến đổi thành pentacene rắn. Các lớp khác nhau sau đó được khắc bằng kỹ thuật in ảnh litô (photolithography) để tạo thành mô hình cuối cùng của các transistor.

    Trong tương lai, những bộ xử lý này có thể được thực hiện với giá rẻ hơn bằng cách in các thành phần hữu cơ giống như mực. Có nhiều nhóm nghiên cứu về việc in trên vật liệu cuộn (dạng roll-to-roll hay sheet-to-sheet) nhưng vẫn còn một số phát triển khác. Các phương pháp in tốt nhất hiện nay là chỉ có thể cung cấp các transistor đáng tin cậy trong khoảng hàng chục µm.

    Việc chế tạo một bộ xử lý từ các transistor chất dẻo là một thách thức, vì không giống như những bộ xử lý làm từ tinh thể silicon. Mỗi transistor chất dẻo hoạt động hơi khác nhau, vì chúng được cấu tạo từ nhiều thứ "lộn xộn" có hình dạng khác nhau tập hợp của nhiều tinh thể pentacene. 

    Nhóm đã nghiên cứu thành công, nhưng không có nghĩa là các bộ xử lý chất dẻo sẽ thay thế hoàn toàn silicon trên các máy tính hiện nay, vì vật liệu hữu cơ thường bị giới hạn tốc độ hoạt động. Vì vậy, những bộ xử lý chất dẻo chỉ xuất hiện ở những nơi silicon "bị cô lập" do chi phí hay do tính chất vật lý không uốn được. 

    Ví dụ, các chất dẻo điện tử (plastic electronic) có thể được ứng dụng để sản xuất các loại màn hình dẻo, cảm biến gắn trên bao bì thực phẩm, quần áo... để hiển thị thông tin tương tác một lần duy nhất, chẳng hạn thông tin hiển thị trên bao bì về độ tươi của thức ăn v.v.

    Mạch in hữu cơ trên tấm chất dẻo 

    Nhưng những ứng dụng như vậy sẽ yêu cầu nhiều hơn chứ không chỉ các bộ xử lý chất dẻo, Wei Zhang, chuyên gia nghiên cứu về điện tử hữu cơ tại đại học Minnesota cho biết. Tại hội nghị, nơi bộ xử lý hữu cơ được công bố, Zhang và các đồng nghiệp trình bày bộ nhớ hữu cơ in (printed organic memory) đầu tiên, một dạng như DRAM, làm việc cùng với bộ xử lý của hầu hết các máy tính để lưu dữ liệu trong ngắn hạn. Dãy bộ nhớ kích thước 24mm vuông được tạo ra bằng nhiều lớp "mực" hữu cơ được phun từ vòi phun như bình xịt. Bộ nhớ này có thể chứa 64bit thông tin.

    Bộ nhớ in (printed memory) không mất dữ liệu khi cúp điện đột ngột, nghĩa là bộ nhớ sẽ lưu dữ liệu ngay cả khi tắt nguồn và điều này không phù hợp với nhu cầu lưu trữ ngắn hạn do thường xuyên ghi, đọc và ghi lại. Nhóm nghiên cứu của đại học Minnesota có thể in DRAM bằng hình thức in transistor hữu cơ thông qua cách sử dụng gel giàu ion cho các vật liệu cách điện để ngăn cách các điện cực của nó. 

    Các ion bên trong làm cho lớp gel cách điện hơn thông thường. Điều này giải quyết được 2 vấn đề cốt lõi gây hạn chế việc phát triển của bộ nhớ hữu cơ. Khả năng tích điện (charge-storing) của gel làm giảm năng lượng cần thiết để vận hành bộ nhớ và transistor được tạo ra từ các ion; đồng thời cũng làm cho các mức tích điện đại diện cho chỉ số nạp mức 0 và 1 trong bộ nhớ trở nên khác biệt và tồn tại chừng một phút mà không cần làm tươi (refresh) bộ nhớ.
    DRAM in hữu cơ có thể sẽ được sử dụng để lưu trữ ngắn hạn các khung hình ảnh hiển thị, mà hiện nay gọi là LED hữu cơ. Điều này cho phép tạo ra nhiều thiết bị bằng phương pháp in và loại bỏ một số thành phần silicon nhằm giảm chi phí.

    Hiện nay, việc tìm ra cách kết hợp bộ nhớ và bộ vi xử lý hữu cơ nhằm giảm chi phí vẫn chưa khả thi và vẫn chưa có công nghệ nào đảm bảo khả năng kết hợp này; các nhà khoa học vẫn đang cố gắng xử lý công đoạn kết hợp bộ vi xử lý và bộ nhớ hữu cơ. Hy vọng, trong tương lai gần, những chiếc điện thoại hay máy tính "dẻo" sẽ ra mắt hàng loạt với giá rẻ hơn rất nhiều so với những chiếc điện thoại hay máy tính hiện nay.

    Tham khảo Techreview, spectrum.ieee.org

    ID: A1106_68