Các nhà nghiên cứu Trung Quốc vừa công bố một bước tiến lớn trong công nghệ làm mát chip, hứa hẹn có thể nâng mạnh hiệu suất của radar quân sự cũng như các mạng không dây thế hệ tương lai.
Trong tuần này, các nhà khoa học thuộc Đại học Tây Điện (Đại học Khoa học Kỹ thuật Điện tử Tân An), tây bắc Trung Quốc, thông báo đã phát triển một phương pháp “siêu làm mát” mới cho chất bán dẫn gallium nitride (GaN), cho phép tăng hiệu năng radar khoảng 40%.
Đột phá này nhằm giải quyết một trong những rào cản khó khăn nhất của điện tử công suất cao: nhiệt lượng. Chip gallium nitride vốn được đánh giá cao nhờ khả năng chịu điện áp và tần số lớn, nhưng tình trạng quá nhiệt từ lâu đã giới hạn mức hiệu suất mà chúng có thể đạt tới.
Bằng cách xử lý vấn đề ngay ở cấp độ vật liệu, nhóm nghiên cứu Trung Quốc cho rằng họ đã mở ra con đường phát triển các hệ thống radar mạnh hơn, gọn nhẹ hơn cho máy bay tiên tiến cũng như hạ tầng thông tin liên lạc.
Giải pháp làm mát cho chip tần số cao
Các chip mới được thiết kế để hoạt động dưới tải công suất cực lớn ở các dải tần X và Ka – những dải tần then chốt đối với radar điều khiển hỏa lực hiện đại, liên lạc vệ tinh và truyền dữ liệu không dây tốc độ cao. Về mặt thực tế, điều này cho phép radar phát tín hiệu mạnh hơn và thu được các tín hiệu phản xạ yếu hơn mà không cần tăng kích thước hay trọng lượng chip.
“Đây là bước đột phá quan trọng nhất trong lĩnh vực này trong gần hai thập kỷ”, Đại học Tây Điện viết trên mạng xã hội.
Theo SCMP, trưởng dự án Chu Hồng cho biết thiết kế nhiệt được cải thiện giúp radar “nhìn xa hơn” trong khi vẫn giữ phần cứng ở dạng nhỏ gọn. Ông cũng nhấn mạnh phương pháp này có thể mang lại lợi ích cho công nghệ dân sự. Khi ứng dụng vào mạng di động, các chip mới có thể mở rộng vùng phủ sóng đồng thời giảm mức tiêu thụ điện – yếu tố then chốt đối với các mạng 5G dày đặc và các hệ thống 6G trong tương lai.
Tác động tới máy bay tàng hình và cán cân chiến lược
Radar dựa trên gallium nitride hiện đã là thành phần cốt lõi trên các máy bay tàng hình mới nhất của Trung Quốc, bao gồm J-20 và J-35, và được cho là có tầm phát hiện vượt trội so với các hệ thống cũ.
Trong khi đó, các nền tảng của Mỹ như F-22 vẫn dựa trên công nghệ radar đời trước, còn quân đội Mỹ chỉ dự kiến hoàn tất việc nâng cấp radar gallium nitride cho F-35 vào năm 2031 – chậm hơn nhiều so với kế hoạch ban đầu.
Lợi thế của Trung Quốc còn được củng cố bởi vị thế kiểm soát nguyên liệu. Nước này là nhà sản xuất gallium lớn nhất thế giới và đã hạn chế xuất khẩu kim loại này cho các đối tượng quốc phòng Mỹ. Sự kết hợp giữa thiết kế chip tiên tiến và nguồn cung vật liệu giúp Trung Quốc gia tăng đáng kể vị thế trong lĩnh vực bán dẫn thế hệ thứ ba.
“Nút thắt” nhiệt ẩn giấu bên trong chip
Theo các nhà nghiên cứu, thách thức cốt lõi nằm ở lớp liên kết nối các vật liệu khác nhau bên trong chip. Các phương pháp truyền thống sử dụng nhôm nitride làm lớp trung gian, nhưng trong quá trình hình thành, vật liệu này tạo ra các “đảo” không đồng đều thay vì một màng mịn. Những bất thường này giữ nhiệt, làm tăng điện trở nhiệt và khiến hiệu suất suy giảm.
Nhóm Đại học Tây Điện đã phát triển một phương pháp kiểm soát chính xác quá trình phát triển của lớp này, biến một quá trình ngẫu nhiên thành đồng nhất. Kết quả là điện trở nhiệt giảm khoảng 1/3 so với thiết kế thông thường. Điều này dẫn tới cái mà nhóm nghiên cứu gọi là “bước nhảy vọt về hiệu suất” cả trong khả năng chịu công suất lẫn tản nhiệt.
Ông Chu Hồng cho biết ý nghĩa sâu xa của công trình nằm ở tính phổ quát. Phương pháp này cung cấp một “khuôn mẫu có thể tái lập” cho việc tích hợp các vật liệu bán dẫn khác nhau – một bài toán mà các nhà sản xuất chip trên toàn thế giới đều đang đối mặt.
Các kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.
Từ công nghệ trưởng thành đến chip tương lai
Dựa trên đột phá làm mát này, nhóm nghiên cứu cũng phát triển một thiết bị vi sóng gallium nitride có khả năng khuếch đại tín hiệu tần số cao dùng trong radar và hệ thống 5G. Một báo cáo hồi tháng 9 của Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc cho biết công nghệ gallium nitride tại Trung Quốc hiện đã đạt mức độ trưởng thành.
Đại học Tây Điện tin rằng bước tiến này sẽ củng cố lợi thế cạnh tranh của Trung Quốc trong lĩnh vực bán dẫn thế hệ thứ ba, đồng thời thúc đẩy quá trình chuyển dịch sang các vật liệu thế hệ thứ tư như gallium oxide.
Tháng 12 năm ngoái, một nhóm khác của trường cũng công bố một bề mặt thông minh có khả năng biến sóng điện từ thành điện năng – một khái niệm được đánh giá là có thể hỗ trợ các hệ thống tàng hình thông minh và thông tin liên lạc không dây thế hệ mới.
Theo IE
