Cuộc đua không ngừng nghỉ trong ngành công nghệ bán dẫn luôn tìm cách thu nhỏ kích thước và tăng cường hiệu năng của các bộ xử lý. Trong khi silicon đã thống trị lĩnh vực này suốt nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đang tích cực khám phá những vật liệu mới với tiềm năng vượt trội. Một bước tiến đáng chú ý vừa được công bố, đánh dấu một cột mốc quan trọng: việc chế tạo thành công một bộ xử lý 32-bit hoàn chỉnh sử dụng vật liệu bán dẫn chỉ dày bằng một lớp nguyên tử. Thành tựu này, được thực hiện bởi một nhóm các nhà nghiên cứu, là bộ xử lý kiến trúc RISC-V 32-bit đầu tiên trên thế giới được xây dựng hoàn toàn từ một chất bán dẫn hai chiều (2D). Vật liệu được sử dụng, có khả năng là Molybdenum disulfide (MoS2) hoặc một chất tương tự thuộc nhóm vật liệu này, sở hữu độ dày đáng kinh ngạc - chỉ tương đương một phân tử duy nhất. Việc sử dụng vật liệu 2D mở ra những khả năng thú vị cho tương lai của ngành điện tử, bởi chúng vốn có những đặc tính độc đáo như độ mỏng cực cao, tính linh hoạt và thậm chí là độ trong suốt, những điều khó đạt được với silicon truyền thống. Bộ xử lý vừa được tạo ra không chỉ là một thử nghiệm đơn lẻ với vài bóng bán dẫn, mà là một hệ thống phức tạp bao gồm hàng ngàn bóng bán dẫn hoạt động phối hợp để thực thi các lệnh theo kiến trúc RISC-V. Đây là một minh chứng rõ ràng cho thấy vật liệu 2D có thể được tích hợp thành các mạch logic phức tạp, vượt qua những nghi ngờ ban đầu về khả năng ứng dụng thực tế của chúng trong điện toán hiệu năng cao. Việc lựa chọn kiến trúc RISC-V, một kiến trúc tập lệnh mở và ngày càng phổ biến, cũng cho thấy định hướng ứng dụng rộng rãi của công nghệ này trong tương lai. Tuy nhiên, như thường lệ với các công nghệ đột phá ở giai đoạn đầu, bộ xử lý 2D này vẫn còn đối mặt với những hạn chế đáng kể. Theo báo cáo, hiệu suất của nó hiện tại khá thấp và tiêu thụ năng lượng còn kém hiệu quả so với các chip silicon 32-bit hiện đại. Điều này không quá bất ngờ, bởi quy trình chế tạo vật liệu 2D ở quy mô lớn vẫn còn nhiều thách thức, từ việc đảm bảo độ tinh khiết, đồng nhất của vật liệu đến việc tạo ra các tiếp điểm điện ổn định và hiệu quả trên một bề mặt siêu mỏng. Các khiếm khuyết trong cấu trúc vật liệu hoặc trong quá trình tích hợp có thể dẫn đến rò rỉ dòng điện và làm giảm tốc độ chuyển mạch của bóng bán dẫn. Mặc dù còn những rào cản về hiệu năng và hiệu quả năng lượng cần vượt qua, thành công này vẫn mang ý nghĩa khoa học và công nghệ to lớn. Nó chứng minh tiềm năng của vật liệu bán dẫn 2D trong việc tạo ra các thiết bị điện tử thế hệ mới. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm:Thiết bị điện tử siêu mỏng và linh hoạt: Có thể uốn cong, gập lại hoặc tích hợp vào quần áo, bề mặt cong.Cảm biến tích hợp: Tạo ra các cảm biến nhỏ gọn, hiệu quả hơn cho y tế, môi trường.Điện toán 3D: Khả năng xếp chồng nhiều lớp mạch xử lý mỏng lên nhau để tăng mật độ tính toán.Quang điện tử: Tận dụng các đặc tính quang học độc đáo của vật liệu 2D.Để hiện thực hóa những tiềm năng này, các nhà nghiên cứu cần tiếp tục nỗ lực cải thiện chất lượng vật liệu, tối ưu hóa quy trình sản xuất và thiết kế mạch. Việc mở rộng quy mô sản xuất từ phòng thí nghiệm ra công nghiệp cũng là một thách thức lớn, đòi hỏi những đột phá về kỹ thuật chế tạo và kiểm soát chất lượng. Cần có thêm nhiều nghiên cứu để hiểu rõ hơn về vật lý hoạt động của các bóng bán dẫn 2D và phát triển các mô hình chính xác hơn cho việc thiết kế mạch. Nhìn chung, việc chế tạo thành công bộ xử lý 32-bit từ vật liệu bán dẫn dày một phân tử là một minh chứng đầy thuyết phục cho tiềm năng cách mạng của công nghệ vật liệu 2D. Dù chặng đường đến ứng dụng thương mại còn dài và đầy thử thách, bước đột phá này đã mở ra một cánh cửa mới, hứa hẹn về một tương lai nơi các thiết bị điện tử trở nên mỏng hơn, linh hoạt hơn và có thể tích hợp vào cuộc sống theo những cách mà chúng ta chưa từng tưởng tượng. Đây là nền tảng quan trọng cho những đổi mới trong lĩnh vực bán dẫn và điện toán trong những thập kỷ tới.
