Tro cốt của nhà tiên phong bán dẫn Chih-Tang Sah được đưa về Trung Quốc

Chuyến hồi hương cuối cùng của trí tuệ định hình ngành chip hiện đại

Tro cốt của Chih-Tang Sah, nhà tiên phong của kỷ nguyên bán dẫn hiện đại, đã được đưa từ Mỹ về Phúc Kiến, miền đông nam Trung Quốc, để an táng. Di sản khoa học của ông hiện diện trong hầu hết thiết bị có chip, từ chiếc điện thoại trong túi đến máy tính điều khiển máy bay và các bộ tăng tốc dùng để huấn luyện trí tuệ nhân tạo. Khi làm việc tại Fairchild Semiconductor cùng đồng nghiệp Frank Wanlass năm 1963, Sah đã cùng đề xuất logic bán dẫn oxit kim loại bổ sung, thường được biết đến với tên gọi CMOS. Ý tưởng này đơn giản về mặt khái niệm nhưng có tác động sâu rộng, mở đường cho các mạch tích hợp công suất thấp khả thi và quy mô đáng kinh ngạc của ngành chip ngày nay. Theo cuốn sách High-Frequency Integrated Circuits của Sorin Voinigescu thuộc Đại học Toronto, đến năm 2011, khoảng 99% mạch tích hợp bán dẫn được sản xuất bằng công nghệ CMOS.

Sah sinh tại Bắc Kinh và qua đời ngày 5/7, hưởng thọ 92 tuổi. Ông từng là giáo sư danh dự tại Đại học Hạ Môn, nơi tưởng niệm ông và mối gắn bó lâu dài của ông với cộng đồng học thuật. Việc đưa tro cốt ông về tỉnh quê hương tổ tiên là dịp để nhìn lại nền khoa học âm thầm vận hành đời sống thường nhật và kinh tế toàn cầu, cũng như sự nghiệp nối liền phòng thí nghiệm, giảng đường và trung tâm của kỷ nguyên thông tin hiện đại.

Chih-Tang Sah là ai

Chih-Tang Sah thuộc thế hệ đặt nền móng cho kỷ nguyên thông tin. Sinh tại Trung Quốc năm 1932 và lớn lên trong gia tộc Sah danh giá ở Phúc Châu, ông theo đuổi ngành kỹ thuật tại Mỹ. Ông lấy hai bằng cử nhân tại Đại học Illinois, sau đó hoàn thành bằng thạc sĩ và tiến sĩ tại Đại học Stanford. Quá trình đào tạo đưa ông vào trung tâm nghiên cứu chất rắn thời kỳ đầu, đúng lúc các thiết bị silicon bắt đầu chuyển từ những bài báo vật lý vào nhà máy.

Học vấn và sự nghiệp ban đầu

Năm 1956, Sah bước vào ngành điện tử chất rắn và sớm gia nhập Fairchild Semiconductor, nơi ông cùng Frank Wanlass trình bày khái niệm CMOS vào năm 1963. Việc kết hợp hai loại transistor, một loại dẫn điện khi đầu vào ở mức cao và loại kia dẫn điện khi đầu vào ở mức thấp, tạo ra kiểu logic tiêu thụ rất ít điện khi ở trạng thái nghỉ và có thể mở rộng hiệu quả khi chip ngày càng phức tạp. Sau đó, Sah trở thành giáo sư tại Đại học Illinois, giảng dạy từ năm 1962 đến 1988, rồi tiếp tục công tác tại Đại học Florida. Trong sự nghiệp học thuật, ông công bố khoảng 280 bài báo khoa học, hướng dẫn nghiên cứu sinh tiến sĩ và thúc đẩy lĩnh vực vật lý linh kiện làm nền tảng cho thiết kế, chế tạo CMOS. Ông được giới công nghiệp và học thuật ghi nhận nhờ những đóng góp kết nối lý thuyết, linh kiện và hệ thống.

Phòng thí nghiệm Vi mô và Công nghệ Nano Holonyak thuộc Đại học Illinois xếp Sah cùng những nhân vật lớn khác đã định hình di sản nghiên cứu bán dẫn của trường. Lịch sử phòng thí nghiệm mô tả dòng phát triển liên tục từ kỷ nguyên transistor đến các mạch tích hợp hiện đại, trong đó Sah là một mắt xích. Có thể xem phần tổng quan lịch sử của phòng thí nghiệm tại trang web Phòng thí nghiệm Vi mô và Công nghệ Nano Holonyak.

Các nhà nghiên cứu của phòng thí nghiệm là một phần trong di sản bán dẫn lâu đời, khởi nguồn từ những tên tuổi lớn trong ngành kỹ thuật như John Bardeen, Nick Holonyak Jr. và Chih-Tang Sah. Những công trình đột phá của họ góp phần khởi xướng và thúc đẩy cuộc cách mạng công nghệ thông tin ngày nay.

CMOS đã thay đổi mọi thứ ra sao

CMOS, viết tắt của bán dẫn oxit kim loại bổ sung, là công nghệ chủ lực đứng sau phần lớn các loại chip. Cốt lõi của công nghệ này là các cặp bổ sung gồm transistor hiệu ứng trường bán dẫn oxit kim loại, hay MOSFET. Một loại transistor, gọi là loại p, có xu hướng cho dòng điện đi qua khi đầu vào ở mức thấp. Loại còn lại, gọi là loại n, có xu hướng cho dòng điện đi qua khi đầu vào ở mức cao. Bằng cách bố trí chúng phối hợp trong từng cổng logic, các kỹ sư đã tạo ra những mạch có mức tiêu thụ điện tĩnh rất thấp và khả năng chống nhiễu điện tốt. Dòng điện chỉ tăng đáng kể khi mạch chuyển trạng thái, nhờ đó mạch tỏa ít nhiệt khi nghỉ và sử dụng năng lượng hiệu quả hơn.

Vì sao CMOS tiêu thụ ít điện hơn

Hãy xét phần tử logic đơn giản nhất: bộ đảo. Trong bộ đảo CMOS, khi đầu vào ở mức thấp, transistor loại p dẫn điện còn transistor loại n tắt. Khi đầu vào ở mức cao, transistor loại n dẫn điện còn transistor loại p tắt. Với mọi mức logic hợp lệ, một linh kiện luôn tắt, nhờ đó hạn chế dòng điện liên tục. Điện năng chủ yếu được tiêu thụ khi nạp và xả các điện dung rất nhỏ trong lúc chuyển trạng thái. Đặc tính này trực tiếp giúp kéo dài thời lượng pin của thiết bị di động, tăng mật độ linh kiện trên chip và tạo điều kiện để các nhà thiết kế tiếp tục nâng cao độ phức tạp mà không làm mức tiêu thụ điện tăng tương ứng.

CMOS được giới thiệu tại Fairchild năm 1963 và bắt đầu có đà phát triển thương mại khi RCA sản xuất những mạch tích hợp CMOS đầu tiên vào cuối thập niên 1960. Đến thập niên 1980, công nghệ này đã vượt qua các họ logic khác. Ngày nay, CMOS có mặt trong bộ vi xử lý, vi điều khiển, RAM tĩnh, cảm biến ảnh và mạch điều khiển của vô số hệ thống. Dù hình dạng vật lý của transistor không ngừng thay đổi, với FinFET và cấu trúc cổng bao quanh dần thay thế thiết kế phẳng trước đây, kiểu logic vẫn là CMOS. Nhiều chip hiện đại còn xếp chồng linh kiện theo ba chiều và dùng công nghệ đóng gói tiên tiến, nhưng vẫn dựa trên cùng nguyên lý chuyển mạch bổ sung mà Sah và Wanlass đã thúc đẩy.

Từ Fairchild đến giảng đường

Fairchild Semiconductor đóng vai trò lớn trong sự phát triển của Thung lũng Silicon. Công ty quy tụ các nhà khoa học và kỹ sư phát triển những quy trình, linh kiện tạo đà ban đầu cho mạch tích hợp. Trong môi trường đó, Sah kết hợp nghiên cứu chuyên sâu về lý thuyết linh kiện với những vấn đề thực tiễn trong sản xuất và thiết kế, rồi mang kinh nghiệm ấy vào giảng đường.

Giảng dạy và hướng dẫn thế hệ sau

Tại Illinois, Sah góp phần xây dựng hiểu biết chuyên sâu về linh kiện silicon và cách chúng hoạt động, củng cố nguồn đào tạo sinh viên sau này thiết kế và chế tạo những thế hệ chip tiếp theo. Phòng thí nghiệm Vi mô và Công nghệ Nano Holonyak, có cội nguồn gắn với những tên tuổi như John Bardeen và Nick Holonyak Jr., là cầu nối sống động giữa công trình nền tảng ấy với các tiến bộ hiện nay. Phòng thí nghiệm ghi lại dòng phát triển này trong phần lịch sử tại hmntl.illinois.edu. Nghiên cứu học thuật và hợp tác với ngành công nghiệp đã thúc đẩy CMOS từ một ý tưởng thành nền tảng gần như phổ quát. Một bài phân tích gần đây trên tạp chí Materials nhận định CMOS vẫn là nền tảng chủ đạo của các hệ thống số, trong khi các vật liệu và loại linh kiện mới đang được nghiên cứu cho tính toán tương tự, bộ nhớ và tính toán mô phỏng thần kinh, với điều kiện chúng tương thích với quy trình sản xuất CMOS. Nhận định đó phản ánh mức độ hoàn thiện và khả năng thích ứng của nền tảng mà Sah góp phần khởi xướng.

Di sản hiện diện trong điện thoại, máy bay và bộ tăng tốc AI

Dấu ấn của Sah hiện diện trong mọi túi áo và trên mọi bàn làm việc. Logic số thực thi các lệnh phần mềm, mảng bộ nhớ lưu trữ dữ liệu, cảm biến ghi nhận hình ảnh và hệ thống vô tuyến kết nối thiết bị đều dựa vào các kỹ thuật CMOS. Từ máy tính điều khiển trên máy bay đến hệ thống điều khiển ô tô và tàu vũ trụ, các nhà thiết kế chọn CMOS vì hiệu quả năng lượng, độ tin cậy và khả năng mở rộng.

Công nghệ thường ngày được xây dựng trên CMOS

Các chip vận hành dịch vụ đám mây và trí tuệ nhân tạo cũng được chế tạo dựa trên CMOS. Bộ tăng tốc H200 của Nvidia, một trong những sản phẩm nổi bật nhất thuộc nhóm này, được sản xuất bằng công nghệ quy trình CMOS tiên tiến. Các biện pháp kiểm soát xuất khẩu đối với những chip hiệu năng cao như vậy đã trở thành điểm căng thẳng giữa Mỹ và Trung Quốc. Địa chính trị rất phức tạp, nhưng nền tảng khoa học lại đơn giản. Nguyên lý chuyển mạch bổ sung giúp giảm điện năng và tăng mật độ tích hợp, cốt lõi của CMOS, là điểm chung xuyên suốt những đột phá này.

Ý nghĩa của chuyến hồi hương trong bối cảnh Trung Quốc hiện nay

Việc đưa tro cốt Sah về Phúc Kiến mang ý nghĩa văn hóa và khoa học. Ông từng là giáo sư danh dự tại Đại học Hạ Môn; hành trình từ Bắc Kinh đến các phòng nghiên cứu và giảng đường trên khắp thế giới phản ánh làn sóng người Hoa làm khoa học ở nước ngoài trong thế kỷ qua. Trung Quốc đang đầu tư mạnh vào đào tạo, nghiên cứu và sản xuất bán dẫn. Những khái niệm nền tảng mà Sah thúc đẩy, như logic bổ sung và kiểm soát chặt chẽ vật lý linh kiện, giữ vai trò then chốt trong các mục tiêu đó.

Kiểm soát xuất khẩu, dịch chuyển chuỗi cung ứng và cuộc đua sản xuất chip nhỏ hơn, nhanh hơn, tiết kiệm năng lượng hơn đã đưa bán dẫn vào trung tâm chiến lược quốc gia. Tuy nhiên, CMOS là ngôn ngữ chung của các kỹ sư. Dù ở Bắc Kinh, Đài Bắc, Tân Trúc, Seoul, Austin hay Dresden, các phương pháp và mô hình làm nền tảng cho hoạt động của transistor đều được giảng dạy và ứng dụng theo cách tương tự. Nền tảng chung đó là một phần di sản của Sah và sẽ tiếp tục định hướng các kỹ sư trên hành trình nâng cao hiệu năng, giảm mức tiêu thụ điện.

Khoa học giải thích đơn giản

MOSFET, linh kiện cơ bản bên trong CMOS, là một công tắc cực nhỏ điều khiển dòng điện bằng điện trường. Hãy hình dung một kênh trong chất bán dẫn có hai đầu là cực nguồn và cực máng. Một lớp oxit cách điện mỏng ngăn kênh với điện cực cổng. Bằng cách đặt điện áp lên cổng, linh kiện hút hoặc đẩy các hạt tải điện trong kênh. Khi điện áp vượt ngưỡng, một đường dẫn điện hình thành và dòng điện chạy qua. Khi điện áp thấp hơn ngưỡng, đường dẫn đóng lại và dòng điện dừng, ngoại trừ một lượng rò rất nhỏ.

MOSFET hoạt động như thế nào

Trong logic CMOS, MOSFET loại n kéo đầu ra về phía đất khi đầu vào ở mức cao, còn MOSFET loại p kéo đầu ra về phía nguồn điện khi đầu vào ở mức thấp. Chúng hoạt động đối nghịch, vì vậy chỉ một transistor dẫn điện khi mạch ở trạng thái logic ổn định. Nhờ đó, cổng logic gần như không tiêu thụ điện tĩnh, đây là lý do cốt lõi khiến CMOS trở thành công nghệ được ưu tiên cho các mạch số.

Điện năng và khả năng thu nhỏ

Điện năng trong CMOS có hai thành phần chính. Điện năng động phát sinh khi nạp và xả điện dung trong lúc chuyển trạng thái. Điện năng rò đến từ những dòng điện nhỏ vẫn chạy ngay cả khi transistor tắt; hiện tượng này rõ hơn khi linh kiện thu nhỏ. Các kỹ sư giảm tiêu thụ điện bằng những kỹ thuật mạch như khóa xung nhịp, điều chỉnh điện áp động và bố trí mạch hợp lý, đồng thời áp dụng cấu trúc linh kiện cải tiến. Transistor FinFET và cổng bao quanh kiểm soát kênh tốt hơn, giảm dòng rò và hỗ trợ thu nhỏ thêm. Độ tin cậy cũng rất quan trọng. Các nhà thiết kế đưa vào cấu trúc bảo vệ để chống phóng tĩnh điện và tính đến ứng suất có thể khiến đường kim loại xuống cấp theo thời gian. Ngoài logic số, CMOS còn hỗ trợ các chức năng tương tự chính xác, cảm biến ảnh và mạch vô tuyến cho 5G cũng như nghiên cứu hướng tới 6G, đưa ảnh hưởng của Sah tới gần như mọi lĩnh vực điện tử.

Lễ tưởng niệm và kế hoạch an táng

Việc đưa tro cốt Sah về Phúc Kiến khép lại hành trình cuộc đời ông. Ông là nhà khoa học có tầm ảnh hưởng toàn cầu: sự nghiệp bắt đầu ở Trung Quốc, phát triển tại Mỹ rồi lan rộng khắp các châu lục qua học trò, bài báo và sản phẩm. Việc an táng tại tỉnh quê hương tổ tiên thể hiện sự trân trọng cả cội nguồn cá nhân lẫn lòng tri ân của cộng đồng. Đại học Hạ Môn, nơi ông giữ vai trò giáo sư danh dự, là một trong những cơ sở tưởng nhớ những đóng góp của ông.

Từ những bàn làm việc tại Fairchild đến giảng đường và phòng sạch trên khắp thế giới, hành trình của CMOS cho thấy tầm ảnh hưởng trong các ý tưởng của Sah. Mỗi khi một thiết bị khởi động nhanh và tiêu thụ ít điện, dấu ấn trong những hiểu biết của ông lại hiện hữu. Đó là di sản bền lâu như chính silicon mà ông góp phần định hình.

Điểm chính

• Tro cốt của Chih-Tang Sah được đưa từ Mỹ về Phúc Kiến để an táng
• Tại Fairchild năm 1963, Sah và Frank Wanlass cùng đề xuất khái niệm CMOS làm nền tảng cho chip hiện đại
• Theo sách giáo khoa của Sorin Voinigescu, đến năm 2011, khoảng 99% mạch tích hợp sử dụng CMOS
• Sah giảng dạy tại Đại học Illinois và Đại học Florida, công bố khoảng 280 bài báo và hướng dẫn nghiên cứu sinh tiến sĩ
• CMOS tạo điều kiện cho logic tiết kiệm năng lượng trên điện thoại, máy tính, hệ thống hàng không vũ trụ và các bộ tăng tốc AI như H200 của Nvidia
• Ông trở về quê hương trong bối cảnh Trung Quốc thúc đẩy phát triển ngành chip và các biện pháp kiểm soát xuất khẩu bộ xử lý tiên tiến vẫn tiếp diễn
• Sah từng là giáo sư danh dự tại Đại học Hạ Môn và được giới học thuật, công nghiệp tưởng nhớ
• Các tiến bộ như FinFET và cổng bao quanh tiếp tục giữ nguyên lý CMOS ở vị trí trung tâm trong những thế hệ chip mới