Bài 1:
Vì sao Bill Gates muốn du hành ngược thời gian về Bell Labs tháng 12.1947?
LTS: Bill Gates, nhà sáng lập công ty Microsoft, một trong những người có công lớn hàng đầu trong cuộc cách mạng tin học của thế kỷ 20, đã từng nói nếu có một cỗ máy thời gian quay trở về quá khứ, ông sẽ xin trở về thăm Bell Labs tháng 12.1947. Đó cũng chính là thời điểm các nhà nghiên cứu của Bell Labs phát minh ra bộ khuếch đại điện tử bằng chất bán dẫn đầu tiên được đặt tên là transistor (bóng bán dẫn).
Phải hơn mười năm sau, các vi mạch tích hợp điện tử bán dẫn hay còn được gọi đơn giản là chip bán dẫn bao gồm nhiều vi mạch điện tử với các transistor là thành phần quan trọng nhất được phát triển, mở ra thời kỳ phát triển huy hoàng của máy tính điện tử, đặc biệt là máy tính cá nhân.
Theo Bill Gates, phát minh ra transistor là phát minh quan trọng nhất cho cuộc cách mạng công nghệ tin học và vì thế có ảnh hưởng hết sức lớn đến toàn bộ sự phát triển của nhân loại từ nửa cuối thế kỷ 20 cho đến nay. Ông nói “nếu không có transistor, tôi tin chắc chúng ta sẽ không thể nào chứng kiến được sự phát triển của máy tính và công nghệ tin học như ngày nay”.
Trong thời gian gần đây, hiện tượng khủng hoảng thiếu các chip bán dẫn trở nên vấn đề thời sự quốc tế nóng bỏng, góp một phần quan trọng làm khan hiếm và đẩy giá các mặt hàng điện tử dân dụng và các loại máy móc công cụ khác như xe ô tô chẳng hạn. Để có thể hiểu hết tầm quan trọng của các linh kiện tuy nhỏ xíu này nhưng là linh hồn của tất cả các thiết bị điện tử, mời bạn đọc tìm hiểu lịch sử và quá trình phát triển của khoa học và công nghệ dẫn tới phát minh quan trọng này.
Trong loạt bài này, tác giả Nguyễn Trung Dân - một chuyên gia có trên 25 năm nghiên cứu về vật lý lý thuyết và ứng dụng các chất bán dẫn, trong đó có thời gian nghiên cứu ở Italy, Đức, Nhật và Mỹ (*), sẽ lần lượt đi vào những câu chuyện cụ thể về quá trình phát minh sáng chế transistor và chip bán dẫn; Câu chuyện một công ty sụp đổ và sự ra đời của thung lũng điện tử (Silicon Valley); Sự phát triển thần kỳ của Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan do bắt kịp chuyến tàu công nghệ bán dẫn khởi xướng từ Mỹ; Vì sao các cường quốc khoa học ở châu Âu bỏ lỡ chuyến tàu công nghệ bán dẫn; Câu chuyện thất bại của công ty chip bán dẫn nhiều tỷ đô của Trung Quốc và bài học...
Được xem là 'xương sống' của kỷ nguyên công nghệ, vì vậy việc thiếu hụt chip bán dẫn trong thời gian qua khiến cả thế giới lao đao. Ảnh: Marketwatch photo Illustration/Istockphoto
Bài 1: Sự ra đời của phát minh quan trọng nhất cho cuộc cách mạng công nghệ tin học
Hãy quay trở lại với lịch sử phát triển của các lĩnh vực liên quan, bắt đầu từ hệ thống liên lạc viễn thông, để tìm hiểu những tiền đề của phát minh có tính đột phá này đối với nền khoa học và công nghệ của nhân loại.
Khởi nguyên của các phương tiện liên lạc
Nhu cầu thông tin liên lạc xuyên khoảng cách đã có từ ngàn xưa. Từ thời cổ đại, sử sách đã ghi lại người Trung Hoa, Ai Cập và Hy Lạp đã sớm biết sử dụng kèn, tù và, khói lửa làm ám hiệu, thông tin liên lạc trong các cuộc giao chiến. Tuy vậy, tầm quan trọng của liên lạc viễn thông trong lĩnh vực thương mại thì mãi sau này mới được biết tới.
Vào những năm 1600, Galileo Galilei (1564-1642), người được coi là ông tổ của nền vật lý hiện đại, đã sử dụng kính viễn vọng làm phương tiện liên lạc trong mục đính thương mại một cách rất hiệu quả. Các kính viễn vọng này vốn do ông chế tạo chủ yếu để quan sát các thiên thể cách xa trái đất hàng trăm ngàn cây số.
Lúc bấy giờ, các đoàn tàu đánh cá xa bờ ở Italy phải đi cả tháng trời và chỉ trở về những ngày đã được quy định cũng là những phiên chợ cá với hàng ngàn thương nhân lái cá từ khắp các vùng lân cận đổ về mua cá, kéo theo muôn vàn các dich vụ khác nhau.
Galileo hướng dẫn sử dụng kính viễn vọng. Nguồn: Wikipedia
Điều đáng nói là các chuyến đi đánh cá không phải lúc nào cũng được mùa, có lúc hoàn toàn thất bại, nhưng cũng có lúc trúng lớn. Khi vụ cá bị thất bại, hàng ngàn thương nhân đến chợ cá phải trở về tay trắng, tốn kém vô cùng. Ngược lại, khi trúng vụ cá lớn nhưng trên bờ không biết nên không chuẩn bị thu mua làm người đánh cá cũng bị thiệt hại ghê gớm.
Galileo đã nghĩ ra một phương cách mới. Bằng cách dùng các kính viễn vọng ông có thể nhìn thấy các ám hiệu được quy ước trước với các tàu cá cách bờ hàng trăm cây số, và vì thế ông có thể biết chắc kết quả của vụ cá cho phiên chợ cá sắp tới. Cũng nhờ biết trước như vậy mà giảm được rất nhiều khó khăn cả cho người đánh cá lẫn các thương gia.
Phương pháp liên lạc này của Galileo lúc bấy giờ không chỉ đem lại hiệu quả rất lớn về thương mại mà cả về các mặt xã hội. Đây có thể đươc coi là một trường hợp lịch sử: lần đầu tiên, loài người biết sử dụng các phương tiện liên lạc viễn thông hiện đại vào mục đính thương mại.
Samuel Morse (1791-1872). Nguồn: Wikipedia
Gần 250 năm sau, nhân loại mới chứng kiến được một sự kiện làm thay đổi căn bản hệ thống liên lạc qua khoảng cách xa (viễn thông). Vào năm 1835 Samuel Morse (1791-1872), giáo sư hội họa và điêu khắc của ĐH New York City đã phát minh ra hệ thống các mã ký hiệu gồm các dấu chấm và gạch dùng để truyền đi thay cho các ký tự bảng chữ cái. Hệ thống mã ký hiệu này còn được gọi là Morse Code (người Việt trước đây hay gọi là đánh điện hay đánh Moóc vì đọc chệch ra từ tiếng Pháp).
Sau đó Morse đã hợp tác với kỹ sư Alfred Vail sáng chế ra máy truyền tín hiệu bằng điện, mở ra thời đại mới cho liên lạc viễn thông bằng tín hiệu điện tử mà sau này còn được gọi là điện tín (telegraph).
Tuy vậy phải đợi đến năm 1874 khi Thomas Edison (1847-1931), người được coi là thần đồng sáng chế vĩ đại nhất của nước Mỹ với 1.093 bằng phát minh, đã sáng chế ra hệ thống gửi và nhận nhiều bản điện tín cùng lúc trên một dây truyền thì telegraph mới trở thành một phương tiện liên lạc được sử dụng phổ biến không chỉ cho các chính phủ dùng trong các lĩnh vực quốc phòng, ngoại giao, thương mại mà còn đóng vai trò rất lớn trong phục vụ nhu cầu liên lạc của người dân ở Mỹ và sau đó là ở các nước châu Âu thời bấy giờ.
Thomas Edison bên cạnh sáng chế telegraph của ông. Tháng 4 năm 1878. Nguồn: Wikipedia
Liên lạc bằng điện tín dùng các mã ký hiệu của Morse ‘đánh Mooc’ và gửi qua hệ thống telegraph điện tử được sử dụng hết sức rộng rãi trên toàn thế giới mãi cho đến những năm 1990. Điều đáng nói là bảng ký hiệu của Morse khi được chuyển sang dùng cho các nước không nói tiếng Anh gặp rất nhiều phiền toái. Người Việt chúng ta vẫn còn lưu truyền nhiều câu chuyện tiếu lâm từ việc đọc các bản điện tín không có dấu.
Do phải thông qua các nhân viên “đánh Mooc”, việc gửi và nhận các bản điện tín phải được thực hiện tại các trung tâm bưu điện (thời Pháp thuộc, người Việt còn gọi là ‘nhà dây thép’) vì vậy phương tiện này không thể nào phổ cập đến mọi người, mọi lúc và mọi nơi. Hơn thế nữa, nhu cầu nghe nói trực tiếp giữa những người liên lạc không thể nào thực hiện được qua phương tiện này.
Lúc bấy giờ ít ai có thể ngờ rằng nhu cầu tưởng rất giản dị này lại chính là động lực cho sự phát triển của một công nghệ mới: điện thoại (telephone), và cũng ít ai thấy trước được công nghệ này chính là khởi nguồn cho một cuộc cách mạng khoa học và công nghệ mới của nhân loại được gọi là cuộc cách mạng tin học bắt đầu từ nửa cuối của thế kỷ 20.
“Nhà dây thép” - trụ sở Bưu điện Sài Gòn năm 1895, nay là Bưu điện TP.HCM. Ảnh: Tư liệu từ trang web của Pháp.
Phát minh điện thoại và kỷ nguyên mới cho liên lạc viễn thông
Trong bối cảnh khi lĩnh vực điện tín (telegraph) đang phát triển rất mạnh ở Mỹ và trên thực tế đã trở thành “hệ thống thần kinh của nền thương mại ở Mỹ” thì vào tháng 3.1876 bằng phát minh sáng chế điện thoại đầu tiên của Mỹ được cấp cho Alexander Graham Bell (1847-1922). Phát minh điện thoại của Bell không chỉ là một cột mốc lịch sử trong lĩnh vực truyền thông mà còn là một câu chuyện đầy tính nhân văn.
Sáng chế này của Bell xuất phát từ những ấp ủ của một cậu bé khi mới 12 tuổi đã phải tìm cách giúp mẹ của mình bị điếc có thể hiểu được người khác khi nói chuyện. Từ năm 12 tuổi, Bell đã có phát minh chế tạo một thiết bị đơn giản làm trắng các hạt lúa mỳ được sử dụng rộng rãi trong các máy xay thời bấy giờ.
Được sự khuyến khích của bố, Bell và anh trai đã chế ra một bộ phận cơ học làm theo mẫu của một sọ người có thể phát âm ra các tiếng nói đơn giản như “Mama”. Cũng từ đó ông đã theo đuổi các nghiên cứu nhằm giúp cho người bị điếc, và sau này trở thành giáo sư dạy cho người điếc của Đại học Boston (Mỹ). Ông còn mở trường tư dạy cho người điếc, và vợ ông chính là một trong những học trò của trường này.
Những nghiên cứu của ông về hệ thống phát âm có sự thúc đẩy và ảnh hưởng to lớn do việc cả mẹ và vợ ông đều bị điếc. Các nghiên cứu phát âm này về sau đã đóng góp quan trọng cho phát minh ra điện thoại của ông.
Ảnh giới thiệu về hệ thống điện thoại đầu tiên của Bell. Ảnh tư liệu
Quá trình nghiên cứu và sáng chế ra hệ thống điện thoại đầu tiên của Bell thực ra hết sức gian nan vì ông không có đủ điều kiện cả về thời gian lẫn tài chính. Phát minh của Bell thực chất là tìm cách biến đổi tín hiệu âm thanh sang tín hiệu điện và sau đó truyền tín hiệu điện trên các dây dẫn kim loại trên những khoảng cách xa.
Tại đầu nhận, tín hiệu điện lại được biến đổi sang tín hiệu âm thanh và vì vậy cuộc gọi điện được thực hiện. Theo như ông kể lại thì Bell chính thức bắt tay vào sáng chế hệ thống liên lạc bằng điện thoại khi nghe tin công ty điện tín lớn nhất nước Mỹ lúc bấy giờ là Western Union Telegraph mua các sáng chế về kỹ thuận điện tín với giá cao ngất ngưởng. Động lực thúc đẩy ông phát minh nghe thật đơn giản: kiếm nhiều tiền từ các ý tưởng của mình.
Bản vẽ bằng sáng chế điện thoại của Graham Bell ngày 7.3.1876. Ảnh tư liệu
Thoạt tiên, Bell định bán ngay phát minh này cho công ty điện tín lớn nhất lúc bấy giờ là Western Union Telegraph với giá 100 ngàn USD (tương đương khoảng 2,5 triệu USD ngày nay). Trước đó, Western Union đã mua lại bản quyền phát minh sáng chế Telegraph của Thomas Edison với giá 10 ngàn USD (tương đương 250 ngàn USD ngày nay). Ông William Orton, chủ tịch của Western Union cười khẩy khi được báo cáo lại rằng Bell muốn bán phát minh cho công ty.
Ông Orton cho rằng hệ thống của Bell chỉ là một món đồ chơi không hơn không kém. Hơn nữa, lúc bấy giờ Bell là một kẻ vô danh tiểu tốt so với thần đồng phát minh lừng danh của nước Mỹ là Thomas Edison, ai lại có thể mua sáng chế của Bell với giá gấp 10 lần sáng chế của Edison.
Chỉ hai năm sau, chính ông chủ tịch của Western Union đã thú nhận nếu biết được tầm quan trọng của phát minh đó thì ông sẵn sàng bỏ ra 25 triệu USD để mua. Nhưng đã quá muộn. Bell và một số nhà đầu tư đã sáng lập ra công ty điện thoại đầu tiên của thế giới. Tháng 7.1877, công ty Bell Telephone Company tiền thân của công ty American Telephone and Telegraph (AT&T) chính thức được ra đời.
Chỉ vài ngày sau khi công ty được thành lập, đám cưới của Bell với cô học trò trường dành cho người bị điếc do ông thành lập đã được tổ chức. Quà tặng của chú rể cho cô dâu là 1.487 trên tổng số 1.497 cổ phiếu công ty mới thành lập của Bell (nghĩa là ông chỉ giữ lại cho mình vỏn vẹn 10 cổ phiếu).
Đến năm 1886 hơn 150 ngàn người Mỹ đã sở hữu điện thoại gia đình (không kể hệ thống điện thoại công cộng và các doanh nghiệp tư nhân cũng như của hệ thống chính phủ). Bell nhanh chóng trở thành triệu phú. Những ai ở Mỹ giờ đây không thể tin được rằng một đại công ty công nghệ thống trị gần như tuyệt đối ngành liên lạc viễn thông điện tín (telegraph) của nước Mỹ vào những năm 1870, Western Union Telegraph giờ đây chỉ còn là một công ty chuyển tiền (nay là Western Union) thường chiếm một vị trí khiêm tốn trong các các siêu thị nhỏ ở Mỹ. Sự sụp đổ của một đại công ty công nghệ chỉ vì một quyết định sai lầm nói trên.
"Ngôi nhà” của 9 chủ nhân Nobel vật lý
Đóng góp của Bell cho sự phát triển công nghệ của nhân loại đến đó cũng đã rất đáng kể, nếu không muốn nói là một đóng góp có tính bước ngoặt lịch sử trong lĩnh vực liên lạc viễn thông. Tuy nhiên, việc Bell sáng lập ra hệ thống nghiên cứu sau này mang tên ông, Bell Laboratories (hay còn gọi là Bell Labs) có lẽ còn quan trọng hơn nhiều.
Số là vào năm 1880 Bell được trao giải thưởng “Volta Prize” trị giá 50 ngàn francs của chính phủ Pháp do có công sáng chế ra điện thoại. Đây là giải thưởng do vua Napoleon sáng lập. Trong số những người trong ủy ban xét tặng giải thưởng “Volta Prize” có những nhân vật kiệt xuất như Đại văn hào Victor Hugo (1802-1885), Alexandre Duma (1824 - 1895). Bell đã dùng số tiền của giải thưởng này để thành lập ra nhiều cơ sở nghiên cứu, trong đó đặc biệt nhất là cơ sở nghiên cứu mang tên ông mà sau này được gọi đơn giản là Bell Labs.
Tòa nhà đầu tiên của Bell Labs, New York. Ảnh chụp năm 1925. Nguồn: Wikipedia
Bell Labs là cái tên gắn với nhiều phát minh có ảnh hưởng lớn đến sự phát triển khoa học và công nghệ có tính đột phá lịch sử như phát minh ra transistor, siêu dẫn, laser khí, vi mạch bán dẫn (chip bán dẫn), vật liệu nano-bán dẫn, solar cell cho năng lượng mặt trời, lý thuyết thông tin (Information Theory), hệ điều hành UNIX, các ngôn ngữ lập trình B, C, C++, S và rất nhiều phát minh khác nữa.
Bell Laboratories được coi một tổ hợp nghiên cứu (tư nhân) huyền thoại của nước Mỹ, nơi có đến 9 nhà khoa học được nhận giải thưởng Nobel về vật lý, trong đó có các nhà vật lý lý thuyết lừng danh như: John Bardeen, người Mỹ duy nhất được trao hai giải thưởng Nobel về vật lý (Lý thuyết siêu dẫn - BCS Theory và phát minh ra transistor), P.W Anderson cha đẻ lý thuyết vật lý mang tên ông “Anderson Localization”, William Shockley về phát minh transistor và hàng loạt hiệu ứng vật lý mang tên ông (Shockley diode equation, Shockley states, Shockley–Ramo theorem...)...
Bell tại lễ khánh thành hệ thống điện thoại đường dài New York – Chicago, 1892. Nguồn: Wikipedia
Nhiệm vụ chính ban đầu đặt ra cho Bell Labs là nghiên cứu và phát triển (R&D) các thiết bị điện tử phục vụ cho công ty mẹ là AT&T – lúc bấy giờ gần như nắm độc quyền về lĩnh vực điện thoại và điện tín trên toàn nước Mỹ. Tuy nhiên, dần theo thời gian các nghiên cứu của Bell Labs được mở rộng và bao trùm hầu hết các lĩnh vực quan trọng nhất về công nghệ và kỹ thuật.
Ngay cả những vất đề khoa học cơ bản, Bell Labs cũng có những đóng góp đỉnh cao của thế giới với nhiều giải thưởng Nobel về vật lý, trong đó có những giải thưởng dành cho các công trình thuần túy lý thuyết.
Thời kỳ đầu, khi các hoạt động kinh doanh về lĩnh vực điện thoại của công ty được bảo hộ bởi các bằng phát minh của Bell và các cộng sự nên gần như không có cạnh tranh. Nói đúng ra thì AT&T cũng bị kiện cáo liên tục liên quan đến tranh chấp bản quyền phát minh. Chỉ trong 18 năm đầu, AT&T phải ra hầu tòa đến 587 lần, có 5 vụ kiện phải lên tới tòa án tối cao xét xử. Tuy vậy, AT&T không thua một vụ kiện nào cả.
Cần nói thêm là một phần không nhỏ từ lợi nhuận khổng lồ của AT&T lại được dành cho R&D tại Bell Labs nên công nghệ của AT&T càng phát triển bỏ xa các đối thủ. Tuy vậy, các nhà lãnh đạo của Bell Labs đã sớm nhận ra một nhược điểm có tính chất nguyên tắc khiến cho công nghệ điện thoại khó phát triển và đáp ứng được nhu cầu của khách hàng.
Thoạt tiên, hệ thống điện thoại do Bell sáng chế chỉ hoạt động được ở những khoảng cách ngắn, tối đa chỉ vài km. Muốn liên lạc bằng điện thoại đường dài bắt buộc phải sử dụng các hệ thống khuếch đại tín hiệu điện – được đặt trong ống thủy tinh chân không (gọi tắt là ống chân không – vacuum tube) hay còn được gọi là các bóng đèn chân không.
Vào năm 1906, AT&T mua lại bản quyền sáng chế bộ khuyếch đại điện tử dùng ống chân không này từ nhà nghiên cứu Lee De Forest. Bell Labs đã cải tiến hệ thống này và đưa vào sử dụng thành công trong các hệ thống điện thoại xuyên khắp nước Mỹ trải dài hàng nhiều ngàn cấy số.
Tờ New York Time đưa tin trang đầu vào ngày 26.1.1915, đại ý nói rằng tháng 10.1876 hệ thống điện thoại của Bell chỉ nối được khoảng cách 2.5 dặm (khoảng 4km), thì vào ngày 25.1.1915, hệ thống này đã kết nối New York và San Fransisco với khoảng cách 3.400 dặm (khoảng 5.400 km).
Hệ thống các khuếch đại điện tử ống chân không được đốt nóng khi hoạt động. Nguồn: Wikipedia
Tuy nhiên, các hệ khuyếch đại dạng ống chân không này có những nhược điểm không thể khác phục được về mặt nguyên tắc: hoạt động không ổn định, mau hỏng, tiêu thụ năng lượng lớn và tạo ra một lượng nhiệt lớn.
Lí do là hệ thống này hoạt động dựa trên nguyên tắc đốt nóng dây kim loại để phát ra dòng các điện tử chuyển động trong ống chân không. Vì bị đốt nóng nên các cực điện chóng hỏng, không ổn định. Mặt khác phần lớn năng lượng dùng để đốt nóng với hiệu suất khuyếch đại điện cực kỳ thấp.
Để tăng tuổi thọ và tính ổn định của các hệ thống này thì lại phải có các hệ thống làm mát, rất tốn kém. Hơn nữa, các bóng đèn chân không lại có kích thước khá lớn nên cả hệ thống chung thông thường cũng phải rất lớn để có thể chứa hàng ngàn, thậm chí hàng chục ngàn các bóng đèn như vậy mới đủ phục vụ cho nhiều khách hàng. Chỉ cần một hoặc vài bóng đèn chân không này hỏng cũng đủ làm tê liệt toàn bộ hệ thống. Vì vậy, việc duy trì bảo dưỡng các hệ thống phức tạp hay hỏng hóc này nằm rải rác trong các vùng núi non, sa mạc mênh mông hàng chục ngàn cây số của nước Mỹ cũng là một vấn đề cực kỳ nan giải.
Một hệ thống sử dụng các khuếch đại điện tử ống chân không. Nguồn: Wickipedia
Để dễ hình dung, bạn đọc lớn lên và trưởng thành trước những năm 2000 hẳn còn nhớ những chiếc TV nặng nề, khi hoạt động thì lúc nào cũng nóng hôi hổi. Bên trong máy chứa đầy các bóng đèn điện tử dưới dạng các ống thủy tinh (chính là các ống chân không), lâu lâu chủ nhân lại phải gọi thợ đến sửa – chủ yếu là thay các bóng đèn điện tử này.
Sau gần 100 năm liên tục cải tiến kể từ lúc phát minh ra các bộ khuyếch đại điện tử đặt trong ống chân không (1906 đến 2000), các bóng đèn điện tử chân không vẫn là nguyên nhân chủ yếu gây ra hư hỏng cho các máy móc điện tử như chúng ta đã từng chứng kiến. Nên nhớ rằng TV thường chỉ hoạt động và giờ một ngày trong khi đó hệ thống liên lạc viễn thông thì làm việc liên tục không ngưng nghỉ. Vì vậy không có gì khó hiểu khi ban lãnh đạo của Bell Labs vào những năm 1930 nhận thấy cần phải tìm một giải pháp kỹ thuật hoàn toàn mới thay thế cho các hệ thống khuyếch đại dùng bóng đèn chân không.
Những gì trình bày trên đây cho thấy nhu cầu thiết yếu của sự phát triển công nghệ liên lạc điện thoại đã tạo ra tiền đề cho sự ra đời của bộ khuếch đại điện tử mới, khác nguyên tắc với loại dùng ống chân không. Phần tiếp theo sẽ nói về quá trình phát minh ra transistor, hệ thống khuyếch đại điện tử hoạt động trên nguyên tắc mới sử dụng các chất bán dẫn...
Còn tiếp...
Nguyễn Trung Dân
New York, Ngày 30. 9.2022
___________
* Tác giả bài viết có trên 25 năm nghiên cứu về vật lý lý thuyết và ứng dụng các chất bán dẫn, trong đó có thời gian nghiên cứu ở Italy, Đức, Nhật và Mỹ (từ 1998). Là Associate Research Professor của Đại học Arizona cho đến 2017 chuyển sang làm nghiên cứu viên cao cấp tại trung tâm nghiên cứu của một công ty công nghệ cao, đa quốc gia tại New York, nghiên cứu về lĩnh vực Viễn Thông lượng tử và Mô phỏng lượng tử, đồng thời vẫn tiếp tục giữ cương vị giáo sư ngoài biên chế (Adjunct Professor) của Đại học Arizona. Là tác giả cuốn sách chuyên môn “Modeling and design photonics by examples using Matlabs” đang được sử dụng làm giáo trình trong một số Đại học ở Mỹ.
Tài liệu tham khảo:
[1] Alexander Graham Bell: https://en.wikipedia.org/wiki/Alexander_Graham_Bell
[2] Michael Riordan and Lillian Hoddeson, sách “Crystal Fire: The Birth of the Information Age”, Nhà xuất bản W W Norton & Co Inc, 1997.
Bài 2:
Transistor - phát minh có ảnh hưởng lớn nhất tới cuộc cách mạng tin học
- Vì sao Bill Gates muốn du hành ngược thời gian về Bell Labs tháng 12.1947?
- Người gầy dựng nền công nghệ chip bán dẫn của Đài Loan
Tiếp theo kỳ trước, vào năm 1936, Mervin Kelly được bổ nhiệm làm giám đốc nghiên cứu (research director) của Bell Labs. Vốn là người từng phụ trách bộ phận nghiên cứu và phát triển hệ thống khuyếch đại điện tử sử dụng ống chân không (gọi tắt là bóng chân không), ông nhận thấy rằng cần phải có một thiết bị mới thay thế cho các bộ khuyếch đại này. Ông linh cảm rằng giải pháp cho bài toán nan giải này nằm ở một loại vật liệu kỳ lạ lúc bấy giờ được gọi là các chất bán dẫn.
Sự ra đời của hệ khuếch đại điện tử bằng vật liệu bán dẫn
Để đông đảo bạn đọc có đôi chút khái niệm về chất bán dẫn nhưng không đi quá sâu về các vấn đề kỹ thuật phức tạp và rắc rối, chúng tôi xin trình bày đơn giản và vắn tắt như sau. Chúng ta hầu như ai cũng biết trong thiên nhiên có các vật liệu luôn dẫn điện (tiếng Anh là conductor) như các kim loại, nước chẳng hạn, đồng thời cũng có các vật liệu luôn luôn cách điện (như nhựa, cao su, thủy tinh...). Trong khi đó có một số chất như silicon, germanium trong một số điều kiện thích hợp nào đó thì trở nên dẫn điện, trong các điều kiện khác thì trở nên không dẫn điện. Đó chính là lý do mà các vật liệu này thoạt tiên được gọi và viết bằng tiếng Anh là semi-conductor (nôm na là nửa dẫn điện, nửa không), sau này được viết luôn là semiconductor, và dịch ra tiếng Việt là chất bán dẫn.
Cũng chính vào thời kỳ này lý thuyết lượng tử chất rắn đã được phát triển một cách rực rỡ. Một loạt tên tuổi của các nhà vật lý lý thuyết nổi tiếng gắn liền với các công trình giải thích một cách tuyệt vời các hiên tượng kỳ lạ, khó hiểu trong các chất rắn tinh thể, đặc biệt là tính chất dẫn điện quái gở của các chất bán dẫn. Những nhà lý thuyết này thu hút được rất nhiều các sinh viên giỏi đến làm luận án tiến sỹ. Trong số đó có một vài trường hợp trùng hợp ngẫu nhiên một cách kỳ lạ.
 |
| Kelly, Chủ tich của Bell Labs, 1956, giám đốc nghiên cứu từ năm 1936. Nguồn: Wikipedian |
Chẳng hạn, đúng vào năm 1936 (năm mà Kelly được bổ nhiệm làm giám đốc nghiên cứu của Bell Labs) hai trong ba nhà phát minh tương lai của transistor (bóng bán dẫn) cũng vừa hoàn thành luận án tiến sỹ về lý thuyết lượng tử chất rắn. John Bardeen với luận án tiến sỹ về cấu trúc năng lượng của chất sodium (Na) dưới sự hướng dẫn của nhà vật lý lý thuyết Eugene Wigner (Đại học Princeton, giải Nobel về vật lý năm 1963); và người kia là William Shockley cũng bảo vệ luận án tiến sỹ về cấu trúc năng lượng của chất sodium cloride (NaCl) dưới sự hướng dẫn của lý thuyết gia nổi tiếng John Slater (MIT, National Medal of Science 1970, giải thưởng cao quí nhất của Mỹ về khoa hoc).
Hai nhà phát minh tương lai có tính cách khá trái ngược nhau. Bardeen thì khá rụt rè, ít nói. Shockley thì nhanh nhẹn, có phần tự cao. Cả hai đều thông minh từ nhỏ. John Bardeen tốt nghiệp phổ thông năm 14 tuổi sau khi nhảy cóc 3 lớp, nấn ná thêm một năm chờ anh trai tốt nghiệp để cùng vào đại học. Khi đó, John Bardeen mới tròn 15 tuổi. Shockley nổi tiếng khi còn học phổ thông về việc thường tìm ra các lời giải độc đáo hơn lời giải của giáo viên với các bài toán khó, đã không ít lần làm giáo viên xấu hổ.
Giám đốc nghiên cứu mới của Bell Labs, Mervin Kelly linh cảm rằng chính các hiểu biết về lý thuyết lượng tử chất rắn sẽ giúp Bell Labs giải quyết các vấn đề đang thách thức đối với công ty của ông trong lĩnh vực viễn thông điện tử. Ông viết trong thông điệp gửi nhân viên khi nhận nhiệm vụ (năm 1936) “… áp dụng các lý thuyết lượng tử chất rắn và các kỹ thuật tiên tiến trong thực nghiệm, một phương pháp thống nhất đối với các vấn đề về vật liệu chất rắn có khả năng đem lại cho chúng ta những kết quả đầy hứa hẹn …”. Chính vì vậy, Kelly được coi là nhà lãnh đạo có tầm nhìn tuyệt vời đi trước thời đại của ông rất xa, đóng vai trò quan trọng trong phát minh ra transistor và các phát minh quan trọng khác của Bell Labs sau này.
Tòa nhà đầu tiên của Bell Labs, New York. Ảnh chụp năm 1925. Nguồn: Wikipedia
Để thực hiện ý tưởng này, Kelly đã tuyển dụng nhà lý thuyết trẻ Shockley với hy vọng các kiến thức lý thuyết lượng tử chất rắn mới mẻ của Shockley sẽ giúp ông đạt được ý nguyện. Kelly giao cho Shockley thành lập một nhóm nghiên cứu chất bán dẫn với mục đích chế tạo bộ khuyếch đại điện tử bằng các chất bán dẫn nhằm thay thế cho hệ thống cũ dùng các bóng đèn chân không.
Shockley xây dựng nhóm nghiên cứu của mình, thoạt tiên với một số người làm thực nghiệm về lĩnh vực hóa, lý và vật liệu. Trong số đó nổi bật nhất có tiến sỹ Walter Brattain, người đã làm việc cho Bell Labs từ năm 1929, nổi tiếng có năng khiếu đặc biệt về vật lý thực nghiệm.
Shockley nhanh chóng phát triển các mô hình lý thuyết dựa trên các ý tưởng của mình. Đến cuối năm 1939 ông nghĩ ra được một hệ thống khuếch đại bằng bán dẫn mà ông tin chắc sẽ thành công. Nhưng các thí nghiệm của Brattain hoàn toàn thất bại. Ngay sau đó, công việc nghiên cứu của nhóm bị dừng lại do mọi hoạt động nghiên cứu của Bell Labs đều phải chuyển sang phục vụ cho chiến tranh thế giới lần thứ II (WWII).
Cũng thêm một sự tình cờ đặc biệt là trong thời kỳ WWII, hai chất bán dẫn germanium và silicon trở nên quan trọng đặc biệt vì được sử dụng rộng rãi trong các bộ chỉnh lưu của các hệ thống rada phòng không. Nhằm phục vụ cho quốc phòng, hai chất bán dẫn này được ưu tiên chế tạo với mức độ tinh khiết đặc biệt. Trước chiến tranh, rất khó có thể tìm mua được chất chất bán dẫn germanium và silicon có độ tạp chất dưới 1%. Sau chiến tranh, bán dẫn tinh khiết đến 99.999% có thể dễ dàng tìm mua được nhờ được ưu tiên phát triển cho quốc phòng trước đó. Đây cũng là một tiền đề quan trọng cho phát minh ra transistor vài năm sau WWII.
Sau chiến tranh, vào năm 1945 Bardeen cũng được nhận vào Bell Labs, và ngay lập tức được Shockley mời tham gia vào nhóm nghiên cứu bán dẫn do ông lãnh đạo. Trước đó, sau khi bảo vệ luận án tiến sỹ (1936) Bardeen đã tiếp tục nghiên cứu ở Đại học Princeton, nhưng khi chiến tranh xảy ra ông được gọi vào làm trong Viện Nghiên cứu của hải quân Hoa kỳ, lãnh đạo một nhóm nghiên cứu sử dùng từ trường để thăm dò, phá hủy bom mìn và thủy lôi.
Vào mùa xuân năm 1945, Shockley thiết kế một hệ thống khuếch đại bán dẫn dựa trên một hiệu ứng do chính ông tìm ra về mặt lý thuyết, gọi là “hiệu ứng trường” (field effect). Theo tính toán của Shockley hệ thống này sẽ cho thấy tín hiệu điện được khuếch đại. Một lần nữa, các thí nghiệm của Brattain không tìm thấy dấu hiệu nào của sự khuếch đại. Vô cùng thất vọng, Shockley giao cho Bardeen và Brattain tìm lý do thất bại của thực nghiệm.
Suốt một thời gian khá dài sau đó, Shockley tập trung vào nghiên cứu các vấn đề khác, để mặc cho Bardeen và Brattain muốn làm gì tùy ý. Cũng trong thời gian này, Bardeen và Brattain thiết lập một mối quan hệ hợp tác hết sức ăn ý. Bardeen tính toán và đưa ra các gợi ý thực nghiệm, Brattain xây dựng các mô hình thực nghiệm và tiến hành đo đạc. Sau đó, Bardeen tiến hành phân tích các kết quả và giải thích thực nghiệm của Brattain.
Phát minh poin-contact transistor đầu tiên của Bardeen và Brattain, tháng 12.1947.
Đến mùa thu 1947, các kết quả vẫn không chút khả quan. Ngay trước mùa lễ Giáng sinh năm đó, Bardeen đã có một phát hiện có tính lịch sử. Lúc bấy giờ, tính chất chuyển động của điện tử trong tinh thể chất rắn tưởng chừng đã quá rõ về mặt lý thuyết, không ai thắc mắc về lý thuyết tổng quát đó. Bardeen đã phát hiện ra một sai sót quan trọng liên quan đến trạng thái bề mặt của chất bán dẫn. Theo Bardeen đó chính là lý do thất bại của tất cả các thực nghiệm trước đây của cả nhóm.
Không hề thông báo cho Shockley về phát hiện mới này Bardeen và Brattain tiến hành các thí nghiệm theo hướng hoàn toàn khác với hướng do Shockley đề ra trước đó. Vào ngày 16.12.1947, Brattain thiết kế một hệ thống dựa trên một lớp mỏng bán dẫn germanium tiếp xúc với hai thanh vàng nhỏ và kết quả thực nghiệm cho thấy hệ số khuếch đại tăng lên cả trăm lần. Hệ thống này sau đó được gọi là point-contact (tiếp xúc điểm) transistor. Khi được Bardeen và Brattain gọi điện báo kết quả thí nghiệm, Shockley vừa vui mừng vì thành công có tính lịch sử của nhóm do mình lãnh đạo, vừa vô cùng tức tối vì ông cảm thấy bị qua mặt, bị bỏ rơi ra ngoài một phát minh vĩ đại mà chính ông là người gây dựng từ đầu.
Shockley đi đến một quyết định, để bảo vệ vị trí và vai trò của mình, ông phải tìm cho bằng được một kết quả mới và đặc biệt, tốt hơn kết quả của Bardeen và Battain. Ngay sau đó, trong dịp nghỉ lễ cuối năm và kết hợp công chuyện khác, Shockley tự nhốt mình trong một phòng nghỉ khách sạn ở Chicago, miệt mài tính toán và thiết kế ra mô hình transistor mới của riêng mình.
Sau bốn tuần làm việc không ngừng nghỉ mà có nhà nghiên cứu lịch sử khoa học kể lại rằng ông đã làm việc trong tâm trạng “đầy sáng tạo và tức giận”, Shockley thiết kế được một mô hình transistor cho chính mình, sau này được gọi là junction (kết nối) transistor. Phải mất thêm hai năm nữa, ông và các đồng nghiệp mới chính thức thành công về mặt thực nghiệm chứng minh sự khuếch đại tín hiệu điện tử của các junction transistor này. Transistor kết nối của Shockley quả thực có nhiều ưu điểm so với transsistor tiếp xúc điểm của Bardeen và Brattain, đặc biệt nó dễ sản xuất hơn.
Tuy nhiên trong quá trình nghiên cứu transistor này, Shockley hoàn toàn không để cho Bardeen và Brattain tham gia, thậm chí không ít lần xúc phạm các đồng nghiệp, gây ra một không khí rất căng thẳng trong nhóm nghiên cứu. Ngay cả vấn đề ai được đứng tên đăng ký bằng phát minh, ai được chụp ảnh để công bố trên phương tiện truyền thông về phát minh transistor cũng trở nên rất nặng nề.
William Shockley (ngồi), John Bardeen (đứng, bên trái) và Walter Brattain, ba nhà khoa hoc phát minh ra transistor đầu tiên, cùng nhận giải Nobel Vật Lý năm 1956. Ảnh chụp năm 1948.
Hết sức bất bình nhưng do bản tính ít nói, Bardeen rời bỏ Bell Labs và chuyển sang làm giáo sư cho Đại học Ilinoi. Tại đây, ông đã phát triển thành công lý thuyết về hiện tượng siêu dẫn (super-conductivity) gọi là lý thuyết BCS (mang tên ba nhà nghiên cứu Bardeen-Cooper-Schrieffer). Do kết quả này, năm 1972 Bardeen được trao giải thưởng Nobel về Vật lý cùng cùng hai nhà vật lý Cooper và Schrieffer. Sau năm 1951, Brattain cũng chuyển sang làm viêc ở nhóm khác của Bell Labs. Cả ba nhà phát minh transistor chỉ gặp lại nhau trong lễ trao giải thưởng Nobel năm 1956 tại Stockhom cho những đóng góp của họ về phát minh ra transistor.
Phát minh vĩ đại
Quay trở lại thời điểm tháng 12.1947 tại Bell Labs – thời điểm mà Bill Gate mong được có mặt để chứng kiến giây phút lịch sử của phát minh ra transistor đầu tiên. Theo nhà sáng lập công ty Microsoft phát minh transistor được coi là phát minh vĩ đại có ảnh hưởng lớn nhất cho cuộc cách mạng tin học và qua đó có ảnh hưởng sâu rộng không chỉ đối với nền khoa học và công nghệ mà còn từ đó góp phần thay đổi căn bản xã hội như ngày nay.
Vào ngày 23.12.1947, ban lãnh đạo của Bell Labs quyết định đến tham quan bộ khuếch đại bán dẫn của Bardeen và Brattain. Ngay buổi sáng đó, khi được tin có cuộc tham quan của cấp trên, hai nhà phát minh bèn lập ra một kế hoạch nhằm gây ra sự bất ngờ cho quan khách. Sau bữa trưa, Shockley dẫn mọi người đến tham quan phòng thí nghiệm.
Sau vài lời giải thích, Brattain cho nối điện vào hệ thống khuyếch âm được lắp đặt sơ sài buổi sáng hôm đó. Brattain liền nói vài tiếng vào microphone, gây ra sự kinh ngạc vui sướng cho tất cả quan khách khi âm thanh vang to phát ra từ hệ thống loa trong phòng thí nghiệm, đặc biệt hơn cả là không hề có một bóng đèn chân không nào trong hệ thống của Brattain. Mãi đến tháng 6.1948, sau khi đã hoàn tất đăng ký bản quyền phát minh, Bell Labs mới chính thức công bố phát minh ra point-contact transistor của Bardeen và Brattain.
William Shockley (ngồi), John Bardeen (đứng, bên trái) và Walter Brattain đã phát minh transistor - được coi là phát minh vĩ đại có ảnh hưởng lớn nhất cho cuộc cách mạng tin học. Ảnh tư liệu
Như đã nói ở trên, Shockley đưa ra ý tưởng và thiết kế junction transistor vào đầu năm 1948, nhưng phải mất thêm hai năm sau (1950) mới thành công về mặt thực nghiệm. Đến tháng 7.1951, sau khi các kỹ sư của Bell Labs đã hoàn thiện qui trình sản xuất và đăng ký xong bản quyền phát minh, Bell Labs mới chính thức thông báo về phát minh của Shockley về junction transistor.
Cho đến giữa những năm 1950 các công ty điện tử khổng lồ của Mỹ lúc bấy giờ là General Electric, RAC và Sylvania hàng năm sản xuất hàng chục triệu bộ TV và radio bán trong nước và xuất khẩu. Các bộ TV và radio này thường khá cồng kềnh và nặng nề chủ yếu do phải chứa hàng chục các bóng đèn điện tử chân không. Các hệ thống máy móc này thường phải mất một lúc làm nóng các bóng đèn thì mới hoạt động. Từ khi phát minh junction transistor được công bố 1951 cho đến năm 1954, transistor có giá rất đắt, vì vậy chúng chỉ được sử dụng trong các thiết bị đăc biệt, chủ yếu của quốc phòng.
Mãi đến tháng 10.1954 Texas Instruments (TI) tung ra thị trường một chiếc radio nhỏ xíu với giá 49.95 USD sử dùng transistor germanium. Sự kiện này làm thay đổi nhanh chóng nền công nghiệp điện tử của nước Mỹ trong những năm tiếp theo. Cần nói thêm là TI là một trong vài công ty đầu tiên trước đó đã mua lại quyền sử dụng phát minh transistor germanium của Bell Labs với giá 25 ngàn USD.
Chiếc radio của TI sản xuất. Ảnh tư liệu.
Con dao hai lưỡi
Vào những năm 1950-1960, chỉ có một số rất ít các công ty của Mỹ có khả năng sản suất transistor bán dẫn trong đó có Bell Labs và TI là vượt trội. Bell Labs thì tập trung phục vụ cho nhu cầu phát triển của AT&T (công ty lớn nhất về điện thoại lúc bấy giờ), còn TI và các công ty khác thì tập trung sản xuất transistor phục vụ cho các chương trình đặc biệt của chính quyền Mỹ, trong đó có NASA và Bộ Quốc phòng. TI sản xuất transistor phục vụ cho các hệ thống điều khiển tên lửa Minutement và cả máy bay ném bom B-70 do Boeing sản xuất.
Các công ty này nhận được các hợp đồng lớn từ NASA và Bộ Quốc phòng, nhờ đó mà tiếp tục nghiên cứu nâng cao chất lượng và qui trình sản xuất, hạ giá thành sản phẩm một cách nhanh chóng. Chẳng hạn, theo Fred Kaplan, tác giả của quyển sách 1959: The Year Everything Changed thì vào năm 1959 chính phủ Mỹ đặt hàng với giá 1 transistor là 150 USD. Nhờ các hợp đồng này của chính phủ Mỹ mà các công ty đã có thể tiếp tục nghiên cứu và hạ giá thành, chẳng hạn đến năm 1961 giá thành 1 transistor chỉ còn là 32 USD, sang đến năm 1971 là 1.25 USD và chỉ còn 0.1 USD năm 2000.
Nếu kể các hợp đồng của chính phủ Mỹ tài trợ cho nghiên cứu transistor của các công ty thì giá thành mỗi transistor lên tới hàng ngàn USD thời kỳ đầu. Theo bộ phim tài liệu của hãng truyền hình PBS, chỉ riêng trong năm 1964 NASA đã mua đến 60% các chip bán dẫn sản xuất ở Mỹ. Công ty Fairchild Semiconductor (sẽ nói thêm dưới đây) đã cung cấp hơn 100.000 chip bán dẫn cho chương trình thám hiểm vũ trụ Apollo trong năm 1964.
Chương trình thám hiểm mặt trăng Apollo của NASA. Ảnh chụp 1968.
Tuy vậy, các hợp đồng béo bở của quốc phòng và chính phủ Mỹ cũng lại là con dao hai lưỡi. Do các công ty của Mỹ quá tập trung vào sản xuất cho nhu cầu của chính phủ Mỹ nên đã tạo điều kiện cho một công ty Nhật bản chưa có tên tuổi lúc bấy giờ là SONY xâm nhập vào thị trường các mặt hàng điện tử dân dụng vốn đang bị các công ty Mỹ bỏ rơi. Những chiếc đài bán dẫn nhỏ có thể bỏ trong túi áo nhanh chóng trở thành một biểu tượng của giới trẻ thành thị ở Mỹ ham mê âm nhạc những năm 1960, đem lại lợi nhuận khổng lồ cho SONY, biến công ty này nhanh chóng trở thành một đại công ty sản xuất các mặt hàng điện tử.
Đầu những năm 1960, SONY bắt đầu tung ra thị trường các bộ TV dùng transistor thì vai trò dẫn đầu thế giới về hàng điện tử dân dụng của Mỹ đã bị đe dọa nghiêm trọng.
Câu chuyện SONY và các công ty Nhật Bản như: Fujitsu, NEC, Toshiba, Hitachi trở thành các đại công ty về các mặt hàng điện tử dân dụng, và qua đó đóng một vai trò rất lớn đưa nước Nhật bản bị kiệt quệ sau WWII thành một cường quốc khoa học và kinh tế rất đáng để suy nghĩ. Khi nói đến Nền kinh tế thần kỳ của Nhật Bản (Japanese Economic Miracle) những thập niên 70-80, không ai phủ nhận được Nhật bản đã trở thành cường quốc số một về các mặt hàng điện tử dân dụng. Sở dĩ như vậy là do các công ty Nhật bản nói trên đã nhanh chóng phát hiện và tham gia vào lĩnh vực nghiên cứu và sản xuất transistor từ rất sớm.
Radio của SONY sử dụng transistor sản xuất năm 1960. Ảnh tư liệu
Vào khoảng đầu những năm 1950, Masaru Ibuka, nhà đồng sáng lập SONY, trong một chuyến tham quan ở New York nhận thấy transistor đang là vấn đề thời sự nóng bỏng trong giới công nghệ lúc bấy giờ. Ông đã đề nghị và được bộ Tài chính của Nhật Bản cho phép mua lại quyền sử dụng bản quyền phát minh transistor của Bell Labs với giá 50 ngàn USD. SONY đã sản xuất riêng cho mình các transistor đầu tiên vào năm 1955. Kể từ đó, thoạt tiên là SONY rồi kế tiếp các công ty khác của Nhật Bản đã nhanh chóng chiếm một ví trí lớn trong lĩnh vực sản suất bán dẫn rồi đến các máy móc và thiết bị điện tử khác.
Điều đáng ngạc nhiên nhất là Nhật bản có nền khoa học và công nghệ sinh sau đẻ muộn và kém hơn hẳn nhiều nước châu Âu, nhưng do đã nắm bắt được cơ hội bắt kịp ‘chuyến tàu công nghệ transistor’ để vươn lên, thậm chí bỏ xa các cường quốc khoa học và công nghệ châu Âu trong lĩnh vực bán dẫn và điện tử dân dụng. Ai trong chúng ta nếu có óc tò mò chắc hẳn sẽ ngạc nhiên khi thấy rằng châu Âu hầu như chỉ chiếm một vị trí rất khiêm tốn trong nền công nghiệp sản xuất transistor, chip bán dẫn và các mặt hàng điện tử. Oái ăm thay chính các nhà khoa học ở Pháp cũng đã phát minh ra transistor bán dẫn gần như cùng một thời gian với các nhà khoa học của Bell Labs. Trong phần sau chúng tôi sẽ kể lại câu chuyện vì sao châu Âu đã bỏ lỡ cơ hội vàng này.
Cũng cần nói thêm đôi chút là cả hai phát minh của Bardeen, Brattain và Shockley đều dựa trên chất bán dẫn germanium chịu nhiệt rất kém. Mặc dù chất bán dẫn silicon có nhiều ưu điểm hơn hẳn và được Shockley sử dụng đầu tiên trong các thí nghiệm, nhưng do có những khó khăn về kỹ thuật, đặc biệt là tinh chế silicon mà mãi đến 1955 transistor silicon mới được chế thạo thành công. Một điều thú vị nữa là nhà phát minh ra transistor silicon đầu tiên cho công ty TI năm 1955, Gordon Teal cũng chính là một trong hai người chế tạo thành công junction transistor của Shockley tại Bell Labs năm 1948.
Trong phần tiếp theo chúng tôi sẽ trình bày về sự phát triển transistor silicon và chip bán dẫn là những bộ phận quan trọng nhất cho sự phát triển máy tính điện tử nói chung và nhất là máy tính cá nhân từ những thập niên 70-80 của thế kỷ trước. Đặc biệt hơn cả là câu chuyện về sự hình thành Silicon Valley hay người Việt còn gọi là ‘Thung lũng điện tử’.
Còn tiếp...
Nguyễn Trung Dân
New York, tháng 9.2022
Bài 3:
Phát minh transistor silicon và sự ra đời của Silicon Valley
- Transistor - phát minh có ảnh hưởng lớn nhất tới cuộc cách mạng tin học
- Vì sao Bill Gates muốn du hành ngược thời gian về Bell Labs tháng 12.1947?
Phát minh transistor silicon - bước ngoặt làm thay đổi toàn bộ nền công nghiệp điện tử
Thoạt tiên các phát minh có tính đột phá trong lĩnh vực transistor và chip bán dẫn là tại công ty Texas Instruments (TI), Dallas (Texas), và sau đó là tại một công ty non trẻ khác, Fairchild Semiconductor ở Mountain View (California) thuộc một vùng rộng lớn phía nam thành phố San Fransisco, nơi sau này được gọi là Silicon Valley. Thực ra, ngoài việc các công ty này đều mua quyền sử dụng bằng phát minh transistor germanium của Bell Labs, những người trực tiếp nghiên cứu transistor silicon của TI và Fairchild đều từ Bell Labs mà ra cả. Do vậy, đây được coi là một cuộc chuyển giao công nghệ lớn nhất của nước Mỹ, đầu tiên từ Bell Labs đến các công ty khác của Mỹ, sau đó là cả thế giới (như SONY và các công ty khác của Nhật Bản như đã nói ở kỳ trước, Hàn Quốc, Đài Loan...)
Tháng 10.1955, tại hội nghị về các thiết bị điện tử cho ngành hàng không tại Dayton, Ohio (Mỹ), giám đốc nghiên cứu của TI, ông Gordon Teal tổ chức một cuộc họp báo đặc biệt. Ông thông báo TI đã chế tạo thành công transistor silicon. Mọi người há hốc vì sửng sốt, không tin nổi.
Ông Teal móc trong túi áo một con transistor nhỏ xíu, ông bước tới chiếc bàn đặt hệ thống khuếch đại âm thanh của cuộc họp báo. Ông mở toang bộ phận khuyếch đại, nhúng bộ phận có transistor germanium vào cốc dầu nóng, hệ thống âm thanh trong phòng họp chết lịm ngay lập tức. Ông nhanh chóng lấy chiếc transistor của mình thay cho chiếc transistor germanium bị hỏng kia, âm thanh lại vang lên dù chiếc transistor mới vẫn nằm trong cốc dầu nóng.
Bản phác thảo thiết kế tháng 5 năm 1954 của Morton Jones về bóng bán dẫn silicon đầu tiên của TI (bên trái) và quảng cáo transistor silicon của Texas Instruments nhấn mạnh kích thước nhỏ. Nguồn: Texas Instruments, Inc.
Dẫu phát minh của Teal và các đồng nghiệm ở TI không được trao giải thưởng Nobel như các nhà nghiên cứu của Bell Labs nhưng phát minh ra transistor silicon mới thực sự làm thay đổi toàn bộ nền công nghiệp điện tử trong những năm sau đó. Như có nói ở bài Transistor - phát minh có ảnh hưởng lớn nhất tới cuộc cách mạng tin học, Gordon Teal đã từng làm việc ở Bell Labs và là một trong hai người đầu tiên (cùng với Morgan Sparks) chế tạo thành công chiếc transistor germanium do Shockley thiết kế. Tuy nhiên, đến năm 1953 Gordon Teal nộp hồ sơ xin làm cho TI sau khi biết công ty này đang cần tuyển chọn một giám đốc nghiên cứu về transistor.
Ngay sau sự kiện công bố phát minh transistor silicon năm 1955 nói trên, Bell Labs và TI tập trung vào nghiên cứu và phát triển chế tạo transistor dùng chất bán dẫn silicon. Như đã nói, một trong những nhược điểm quan trọng nhất của chất bán dẫn germanium là hết sức nhạy cảm với nhiệt độ. Hơn thế nữa, transistor dùng germanium ngừng hoạt động hoàn toàn ở nhiệt độ cao hơn 75 C. Silicon thì chịu nhiệt tốt hơn hẳn, tuy nhiên khi bị nấu chảy silicon lại phản ứng rất mạnh với tất cả các vật liệu chung quanh gây trở ngại cho việc tinh chế tinh thể silicon để chế tạo ra transistor.
Ngay từ những ngày đầu silicon luôn là chất được quan tâm để chế tạo transistor, nhưng các nghiên cứu chế tạo transistor silicon trước năm 1955 đều thất bại. Thực ra thì các nhà nghiên cứu của Bell Labs cũng đã chế tạo thành công transisor silicon từ tháng 1.1954, nghĩa là trước cả TI mấy tháng. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu của Bell Labs không hài lòng lắm với kết quả của chính họ.
Morris Tenenbaum người đã chế ra chiếc transitor silicon đầu tiên kể lại: “Thoạt tiên chúng tôi nghĩ đến đăng ký bằng phát minh. Tuy nhiên có hai điều làm chúng tôi cho rằng phát minh này không có giá trị thực sự. Thứ nhất, phương pháp chúng tôi phát triển tinh thể silicon đã được phát minh và sử dụng trước đó bởi một công ty khác. Thứ hai, chúng tôi nhận thấy rằng chính phương pháp này không có ý nghĩa về mặt sản suất”. Chính vì vậy, thay vì đăng kí phát minh sáng chế transistor silicon đầu tiên, các nhà nghiên cứu của Bell Labs chỉ viết đăng kết quả trên Tạp chí Applied Physics.
Lúc bấy giờ các nhà nghiên cứu transistor silicon của Bell Labs do Shockley lãnh đạo đang tập trung vào một phương pháp mới được coi là có nhiều triển vọng nhất gọi là phương pháp ‘khuếch tán’ (diffusion). Phương pháp này quả thực cực kỳ quan trọng trong nghiên cứu và phát triển transistor silicon trong những năm sau này.
Nhà khoa học William Shockley. Nguồn: Twitter
Trong khi đó công cuộc nghiên cứu ứng dụng chất bán dẫn silicon ở Bell Labs lại rẽ sang hướng khác và cũng đem lại những kết quả có tầm ảnh hưởng to lớn trong tương lai của nhân loại. Đó là vào tháng 4.1954, Bell Labs thông báo đã chế tạo thành công pin mặt trời (solar battery) làm bằng vật liệu silicon. Tuy vậy, phải đợi cho đến những năm 1970 pin mặt trời mới được sử dụng cho mục đích dân sự nhưng cũng chỉ ở mức rất khiêm tốn. Năm 1979 tổng thống Mỹ Carter cho lắp 32 tấm pin mặt trời trên nóc nhà của tòa Nhà Trắng chủ yếu để làm nước nóng. Ngày nay, các tấm pin mặt trời được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới cũng chính là nhờ phát minh quan trọng nói trên của các nhà nghiên cứu Bell Labs vào năm 1955.
Cũng vào năm 1955, Shockley đã tỏ ra hết sức bất mãn với ban lãnh đạo của Bell Labs. Ông cảm thấy không được thưởng công một cách xứng đáng cho các thành tích vẻ vang của riêng ông và của cả nhóm do ông lãnh đạo. Mãi cho đến năm 1955 Shockley vẫn chỉ là phụ trách nhóm nghiên cứu transistor bán dẫn, không được đề bạt cất nhắc mặc dù ông và nhóm của ông đã có rất nhiều bằng sáng chế cũng như công bố nhiều bài báo quan trong trong lĩnh vực bán dẫn.
Tháng 3.1955, Shockley quyết định rời bỏ Bell Labs – với niềm tin ông có thể kiếm được rất nhiều tiền từ những kiến thức và kinh nghiệm về nghiên cứu và sản xuất transistor của chính mình. Lúc bấy giờ, Shockley đã nắm được rất nhiều công nghệ kỹ thuật quan trọng về phương pháp ‘khuyếch tán’ silicon, mặt khác ông cũng biết rằng Morris Tenenbaun của Bell Labs đã chế tạo được transistor silicon là cái mà Shockley biết có thể hái ra tiền.
Ảnh chụp công ty bán dẫn của Shockley năm 1955. Nguồn: The Electrochemical Society Interface 2007.
Kế hoạch đầu tiên của Shockley là kéo các đồng nghiệp xuất sắc của ông tại Bell Labs lập công ty mới, trong đó có Morris Tenenbaun và Morgan Sparks, người đã chế tạo thành công junction transistor đầu tiên. Tuy nhiên, cả hai người lần lượt từ chối. Shockley đành phải chạy xuôi chạy ngược khắp các tiểu bang nước Mỹ để chọn tuyển các chuyên viên cho công ty mới của ông. Và quả thực, ông đã chọn ra được một đội ngũ các nhà nghiên cứu trẻ cực kỳ xuất sắc, tuổi đời chưa quá 28.
Trong số họ có nhà vật lý lý thuyết trẻ Jean Hoerni, người sau này đã phát minh ra một kỹ thuật mới khai sinh ra công nghệ chip bán dẫn. Ngoài ra còn có Robert Noyce và Gordon Moore sau này đã sáng lập ra công ty Intel nổi tiếng. Có thể nói, nhóm các nhà nghiên cứu trẻ được Shockley tuyển chọn cũng chính là những người có công vô cùng lớn trong việc phát triển chip bán dẫn làm thay đổi cả nền công nghệ và kỹ thuật cuối thế kỷ 20 cho đến tận ngày hôm nay.
Một công ty bán dẫn ra đời và sự hình thành Silicon Valley
Đến tháng 9.1955, Shockley chính thức rời Bell Labs cùng các chiến hữu của mình lập ra Shockley Semiconductor Laboratory ở Mountain View (California) lúc bấy giờ chỉ là một vùng nông nghiệp trồng cây ăn trái nằm về phía nam của thành phố San Francisco. Đây cũng có thể được coi là thời điểm ra đời của Sillicon Valley lừng danh hay còn được biết với cái tên quen thuộc của người Việt là ‘Thung lũng Silicon” hay “Thung lũng điện tử’.
Tại sao lại là California mà không phải New Jersey hay New York vốn là các trung tâm công nghệ cao của nước Mỹ thời bấy giờ? New Jersey là nơi gắn liền với các phòng thí nghiệm của Thomas Edison lừng danh cũng như Bell Labs của Alexander Graham Bell. Ngoài ra, xung quanh đó có các phòng thí nghiệm quan trọng của bộ quốc phòng Mỹ cũng như rất nhiều các đại học nổi tiếng (Harvard, MIT, Princeton, Yale, Colombia, NYCU, Chicago, Penn State …), một hệ thống liên hoàn các khu công nghiệp cùng các công ty lớn nằm khắp các tiểu bang vùng Đông Bắc giàu có của nước Mỹ thời bấy giờ.
Thực ra, lý do Shockley chọn Mountain View, California cũng đơn giản thôi. Năm 1913 khi gia đình Shockley di cư từ London sang Mỹ, lúc cậu bé William Shockley mới 3 tuổi, bố mẹ của cậu đã chọn Palo Alto (California) ngay sát campus của Đại học Stanford làm nơi định cư cho gia đình của họ. Shockley lớn lên ở đây mãi cho đến khi sang làm tiến sỹ ở Học viện Kỹ thuật Massachusetts (Massachusetts Institute of Technology - MIT) tít tận miền Đông Bắc xa xôi của nước Mỹ.
Khi quyết định rời bỏ Bell Labs ở New Jersey, ông nghĩ ngay đến việc trở về ‘quê hương thứ hai‘ nơi đại gia đình của ông đang sinh sống.
Tiệc mừng Shockley được trao giải Nobel Vật lý năm 1959. Shockley ngồi giữa những người nghiên cứu chính. Nguồn: The Electrochemical Society Interface 2007
Chỉ mấy tháng sau khi Shockley Semiconductor Laboratory được thành lập, ngày 1.11.1956 niềm vui tột độ đến với các nhân viên trẻ khi hay tin ông chủ sáng lập công ty của họ được trao giải thưởng Nobel về Vật lý do có công phát minh sáng chế ra transistor đầu tiên.
Nhưng sự việc hóa ra không suôn sẻ như mọi người vẫn tưởng. Đến đầu năm 1957, những người trong nhóm nghiên cứu nòng cốt của công ty đã bắt đầu bất mãn với sự lãnh đạo theo phong cách có phần thô bạo của Shockley. Điều đặc biệt hơn cả và không một ai hiểu lí do là Shockley đã từ bỏ mục đính ban đầu của công ty là nghiên cứu chế tạo transistor silicon bằng phương pháp ‘khuếch tán’ (diffusion). Trong khi đó, ông lại tập trung nhân lực, thời gian và tiền bạc theo đuổi nghiên cứu một loại transistor có 4 lớp bán dẫn cực kỳ khó chế tạo.
Hai nhà nghiên cứu trẻ Robert Noyce và Gordon Moore (sau này là hai nhà sáng lập ra công ty Intel nổi tiếng) đã đề nghị Shockley chỉ nên tập trung vào loại transistor có ba lớp đơn giản và dễ sản xuất hơn. Theo họ, mục tiêu là phải cho sản phẩm transistor của công ty ra đời sớm để chiếm lĩnh thị trường.
Họ lập luận rằng loại transistor 4 lớp dù rất tốt về mặt lý thuyết nhưng quá khó chế tạo, hãy để sau này nghiên cứu tiếp. Shockley không những bỏ ngoài tai các đề nghị như vậy mà còn tập trung nhiều công sức hơn nữa vào chương trình nghiên cứu sản xuất transistor 4 lớp. Hơn thế nữa, ông còn lập một nhóm nghiên cứu riêng chỉ bao gồm một số người thân tín, khiến cho các nhân viên khác còn lại cảm thấy bị xúc phạm vì không được tin tưởng.
Các mâu thuẫn nội bộ bùng nổ vào tháng 5.1957. Trong một phiên họp với đại diện cho những nhà đầu tư của công ty, khi được hỏi về các kết quả và kế hoạch sắp tới cũng như yêu cầu kiểm soát chặt chẽ hơn nữa về vấn đề chi phí của công ty, Shockley bỗng dưng nổi đóa, bật dậy quát to với đại diện của các nhà đầu tư, đại ý: Nếu ông không thích những gì chúng tôi làm ở đây thì tôi sẽ đưa tất cả những người này theo tôi đi làm chỗ khác với sự tài trợ và đầu tư của người khác.
Nói xong, Shockley bỏ ra khỏi phòng họp. Trớ trêu thay không một thành viên nào của công ty bỏ ra theo ông. Vài tháng tiếp theo các thành viên chủ chốt lần lượt rời bỏ công ty, và đến tháng 9 năm đó thì nhóm 8 nhà nghiên cứu và là kỹ sư chính mà Shockley gọi là “nhóm tám thằng phản bội” đã rời bỏ công ty của Shochkley, khiến công ty gần như sụp đổ sau đúng 2 năm thành lập.
Chỉ sau vài ngày rời bỏ công ty của Shockley, tám nhà khoa học nổi loạn kia nhận được một đề nghị đầu tư 1,38 triệu USD từ một công ty tài chính với sự bảo trợ của một công ty công nghệ lúc bấy giờ là Fairchild Camera and Instrument Corporation, và thế là công ty bán dẫn Fairchild Semiconductor ra đời, công ty bán dẫn thứ hai được thành lập ở Palo Alto, gần campus của Đại học Stanford. Sự ra đời của Faichild cũng gần như là sự kết liễu của công ty thứ nhất, công ty Shockley Semiconductor Laboratories.
Ảnh chụp 1960 "tám nhà nổi loạn" và cũng là những người sáng lập ra Fairchild Semiconductor. Từ trái sang phải, người thứ nhất là Gordon Moore cùng người thứ tư Robert Noyce sau này sáng lập ra Intel. Người phát minh ra phương pháp sản xuất chip bán dẫn Hoerni thứ nhì từ phải. Trên cùng là biểu tượng của Fairchild. Nguồn The Electrochemical Society Interface 2007.
Khác với công ty của Shockley, Fairchild nhanh chóng tập trung chế tạo transistor theo cấu trúc 3 lớp đơn giản với mục tiêu tung ra thị trường sản phẩm của họ một cách sớm nhất. Tám nhà nghiên cứu vốn là cựu thành viên chủ chốt của Shockley đã nhanh chóng áp dụng các kiến thức học hỏi được từ Shockley, đặc biệt là kỹ thuật khuếch tán ‘diffusion’ mà Shockley là một trong những người tiên phong. Chẳng bao lâu, chưa đầy một năm sau thành lập, đến tháng 5.1958 Fairchild đã tung ra sản phẩm thương mại đầu tiên của họ là các transistor silicon, và ngay lập tức các transistor này được chọn sử dụng trong các bộ nhớ máy tính của IBM dùng trong hệ thống điều khiển của các máy bay ném bom B-70 do Boeing sản xuất. Ngay trong năm 1958 họ đã thu được hơn 500 ngàn USD do bán ra các transistor silicon đầu tiên. Trong khi đó, những người trung thành với Shockley vẫn vật lộn với việc chế tạo transistor 4 lớp.
Trong những năm tiếp theo, Fairchild nhận được rất nhiều đơn đặt hàng của bộ quốc phòng Mỹ và NASA cũng như các cơ quan khác của chính phủ Mỹ. Như đã nói ở trên, chỉ riêng trong năm 1964, NASA đã mua hơn 100.000 chip bán dẫn của Fairchild. Sự thành công vượt bậc của Fairchild đã tạo ra một tiếng vang, lôi cuốn hàng trăm công ty điện tử và vô số các dịch vụ khác tạo ra sự phát triển bùng nổ kinh tế của cả một vùng rộng lớn vốn trước đó chỉ là các cánh đồng trồng cây ăn trái.
‘Thung lũng Điện tử’ hay Silicon Valley đã thực sự ra đời như thế. Là một nhà khoa học và một nhà phát minh kiệt xuất, nhưng không có tài lãnh đạo Shockley đã làm tan rã nhóm nghiên cứu bán dẫn lừng danh của Bell Labs, và sau này cũng chính ông chứ không phải là ai khác đã làm sụp đổ công ty của chính mình. Dẫu vậy, lịch sử vẫn rất công bằng, Shockley là một trong hai người được ghi nhận là ‘Cha đẻ của Silicon Valley’ (The Father of Silicon Valley).
‘Bầu trí quyển’ của Silicon Valley
Thực ra, việc ra đời và phát triển của Silicon Valley là sự kết hợp của nhiều yếu tố, trong đó Đại học Stanford với 85 giải thưởng Nobel (tính đến 2021) cũng như các giải thưởng khoa học danh giá khác, đóng vai trò đặc biệt quan trọng không chỉ là lò đào tạo và cung cấp các chuyên gia kỹ thuật hàng đầu mà còn là nơi sản sinh ra các ý tưởng và công nghệ mới. Chỉ cần điểm qua vài cựu học sinh của Stanford như Bill Hewlett và David Packard sáng lập ra công ty HP từ năm 1939, đến Jerry Zhang (sáng lập ra Yahoo), Larry Page và Sergey Brin (sáng lập ra Google) cũng đủ thấy vai trò của Stanford trong công nghệ mới như thế nào.
Ảnh chụp khung cảnh cổng chính của Đại học Stanford. Nguồn: Divulgação
Không phải vô cớ mà GS. Frederick Terman, Hiệu trưởng Trường Kỹ sư của Đại học Stanford cùng với Shockley được ghi nhận là ‘Cha đẻ của Silicon Valley’. GS. Terman có thể được coi là hiệu trưởng một trường đại học lớn đầu tiên kêu gọi và khích lệ tất cả các nhà nghiên cứu khoa học của trường tự mở các công ty riêng, đưa các kiến thức của họ biến thành của cải vật chất cho xã hội và làm giàu cho chính bản thân họ.
GS. Terman cũng là người có công chính trong việc xây dựng Stanford Indusstrial Park (năm 1951) sau này là Stanford Science Park, qui tụ các công ty công nghệ lớn như HP, General Electric, Lockheed, Eastman Kodak… cũng như tạo điều kiện cho các nhà khoa học của trường mở các công ty start-up ngay trong khuôn viên. Truyền thống này vẫn đang được phát huy ở Đại học Stanford. (Cũng xin nói thêm đôi chút là khi mới sang làm việc trong đại học ở Mỹ, các đồng nghiệp trong đại học cho tôi biết khó có thể tìm thấy một vị giáo sư nào thuộc các nghành kỹ thuật của Đại học Stanford mà không phải multi-millionairs).
GS. Frederick Terman khi nghỉ hưu. Ảnh chụp năm 1965. Nguồn: Gillmor
Trước khi Shockley mở công ty bán dẫn của ông (9.1955), nhiều công ty công nghệ cũng như các cơ quan nghiên cứu của Bộ Quốc phòng và hải quân Mỹ đã có mặt ở vùng phía nam San Francisco từ những năm 1940 phục vụ cho quân đội Mỹ thời kỳ Thế chiến II. Tuy nhiên, các công ty này phát triển theo các lĩnh vực khác nhau và ảnh hưởng của chúng ít nhiều vẫn còn có tính chất đơn lẻ. Chỉ mãi sau này khi các công ty bán dẫn, đầu tiên là của Shockley sau đó là Fairchild và Intel với thành công đặc biệt trong việc nghiên cứu và phát triển transitor silicon và chip bán dẫn thì mới có sự phát tiển bùng nổ kinh tế, ban đầu tập trung về các lĩnh vực bán dẫn điện tử, máy tính rồi sau này cả công nghệ tin học và cả các lĩnh vực công nghệ khác.
Không phải vô tình mà Silicon Valley qui tụ các công ty công nghệ hàng đầu của Mỹ đặt trụ sở chính như Apple, Google (Alphabet Inc), Facebook (Meta Platform), Intel, Cisco, Yahoo, Ebay, Uber, HP, Nvdia, Netflix, Tesla (mới chuyển qua Texas 2021) và rất nhiều công ty nước ngoài cũng mở các phòng thí nghiệm hoặc chi nhánh như TSMC - công ty sản xuất chip bán bẫn lớn nhất thế giới của Đài Loan, hay như SONY, Hitachi của Nhật, Samsung của Hàn Quốc... Một trong những lí do chính để các công ty công nghệ trên toàn thế giới muốn đặt trụ sở hoặc phòng thí nghiệm ở Sillicon Valley là vì nơi đây có một bầu trí quyển đậm đặc. Nói nôm na là chỉ cần hít thở trong bầu trí quyển đó bạn đã có thể học hỏi được vô số thứ về các công nghệ mới nhất.
Hơn nữa, nếu công ty của bạn có đại diện ở đó bạn cũng dễ bắt kịp các chuyến tàu công nghệ tương lai khác, giống như câu chuyện SONY và "chuyến tàu thế kỷ" về công nghệ bán dẫn là một thí dụ điển hình từ những năm 1950 của thế kỷ trước.
Còn tiếp...
Nguyễn Trung Dân
New York, tháng 9.2022
Bài 4:
Jean Hoerni - 'cha đẻ' của chip bán dẫn
- Phát minh transistor silicon và sự ra đời của Silicon Valley
- Transistor - phát minh có ảnh hưởng lớn nhất tới cuộc cách mạng tin học
Ban đầu, transistor được chế tạo với mục đích chính là để thay thế cho các hệ khuyếch đại điện tử dùng ống chân không với mục đính chính là khuyếch đại tín hiệu điện trong liên lạc viễn thông. Ngay trong ba nhà phát minh ra transistor đầu tiên, Bardeen và Brattain lúc bấy giờ cũng không thấy được vai trò của transistor đối với máy tính, chỉ có Shockley đã hình dung ngay từ năm 1949 rằng transistor sẽ đóng vai trò như các "tế bào thần kinh" (nerve cell) của hệ thống máy tính điện tử.
Để tránh đi quá sâu vào các vấn đề thuần túy kỹ thuật rắc rối, chúng tôi xin được giải thích một cách sơ lược và đơn giản hóa như sau. Giống như hai trạng thái dẫn và không dẫn điện của bán dẫn, mạch điện của transistor có thể ở trạng thái ‘mở’ (on) hoặc trạng thái ‘đóng’ (off), tùy thuộc vào điện thế áp đặt lên các cực của transistor. Chỉ cần thay đổi điện thế thích hợp mạch điện có thể đổi từ ‘on’ qua ‘off’ và ngược lại. Đó cũng chính là chức năng quan trọng nhất của hệ thống điều khiển tự động ‘digital logic’.
Năm 1955, Bell Labs giới thiệu máy vi tính bóng bán dẫn hoàn toàn đầu tiên, TRADIC. Nguồn ảnh tư liệu
Đặc biệt quan trọng là hai trạng thái ‘on’ và ‘off’ của mạch điện transistor có thể dùng để biểu diễn hai số nhị phân (binary) ‘0’ và ‘1’ trong thuật toán nhị phân theo đó tất cả các con số đều được biểu diễn bởi các tổ hợp khác nhau của ‘0’ và ‘1’. Thuật toán nhị phân được sử dụng trong các máy tính điện tử từ khi mới hình thành sau Thế chiến II cho đến nay. Thời kỳ đầu, máy tính điện tử cũng dùng các mạch điện với bóng đèn điện tử chân không để làm chức năng biểu diễn ‘0’ và ‘1’ của các số nhị phân. Chính vì vậy những chiếc máy tính điện tử ban đầu to bằng cả tòa nhà lớn do phải chứa hàng chục nghìn thậm chí trăm nghìn các bóng đèn điện tử chân không, vừa choán chỗ vừa sinh ra nhiệt lượng lớn và dễ hư hỏng.
Như đã nói ở bài Sự ra đời của phát minh quan trọng nhất cho cuộc cách mạng công nghệ tin học và bài Transistor - phát minh có ảnh hưởng lớn nhất tới cuộc cách mạng tin học, chỉ cần một bóng đèn điện tử bị hư thì cả hệ thống máy tính với trăm ngàn bộ phận khác cũng bị tê liệt theo. Nhờ sử dụng các chip bán dẫn bao gồm các vi mạch điện tử với các tổ hợp phức tạp của hàng triệu transistor mà các hệ thống máy tính trở nên nhỏ hơn, ít hư hỏng, hơn thế nữa khả năng tính toán mạnh hơn, nhanh hơn trước cả trăm nghìn thậm chí cả triệu lần như sẽ trình bày dưới đây.
Thoạt tiên, các bộ xử lý của máy tính sử dụng các transistor đơn lẻ được hàn vào mạch điện chung. Dẫu có tiến bộ hơn các máy tính dùng bóng đèn chân không, phương pháp này vẫn chưa tạo được một đột phá triệt để. Các máy tính vẫn khá kềnh càng đồ sộ vì các transistor dù có kích thước nhỏ hơn nhiều so với các ống chân không nhưng vẫn có kích thước cỡ vài cm. Mặt khác hàn hàng trăm ngàn con transistor nhỏ như vậy vào mạch điện cũng không hề đơn giản chút nào. Điều này làm cản trở sự phát triển của máy tính nếu chúng ta biết được các bộ xử lý của các máy tinh siêu mạnh ngày nay cần có hàng triệu, thậm chí hàng tỷ linh kiện bán dẫn và transistor để thực hiện các phép tính phức tạp với tốc độ cực nhanh.
Quay trở lại với các nhà nghiên cứu trẻ của Công ty Fairchild Semiconductor những năm mới thành lập. Như đã nói ở trên, ngay trong năm 1958 các sản phẩm transistor silicon của Fairchild nhanh chóng được sử dụng trong các bộ phận điều khiển của tên lửa Minuteman và máy bay ném bom B-70, cả hai ứng dụng này đều đòi hỏi các hệ thống điều khiển nhỏ, nhẹ và hoạt động ổn định, chính xác. Chính các đòi hỏi này đã khiến các nhà nghiên cứu của Fairchild và cả TI lúc đó phải tìm cách cải tiến sản xuất transistor của họ.
|
| Nhà vật lý lý thuyết Jean Hoerni, người phát minh ra phương pháp sản xuất chip bán dẫn. nguồn: Magnum |
Ngay sau khi chế tạo thành công các transistor silicon đầu tiên đem lại một số đơn đặt hàng lớn từ bộ quốc phòng Mỹ, các nhà sản xuất và cả các nhà sử dụng nhận thấy rằng một số transistor rất dễ hỏng do có các mảnh vật liệu bám vào cực của transistor trong quá trình sản xuất. Một số phương pháp được đề xuất để khắc phục nhưng quá phức tạp. Cuối cùng một phương pháp được phát minh bởi một trong tám nhà sáng lập ra Fairchild - Jean Hoerni - một nhà vật lý lý thuyết trẻ người gốc Thụy Sỹ, không những giải quyết được vấn đề trên mà còn mở ra phương pháp sản xuất các chip bán dẫn sau này. Chính vì vậy, nhà sử học về công nghệ Christophe Lécuyer đã gọi phát minh của Hoerni là “phát minh quan trọng nhất trong lịch sử công nghiệp bán dẫn”
Phương pháp của Hoerni không dễ giải thích bằng ngôn ngữ bình thường vì vậy chỉ xin trình bày đơn giản, chủ yếu về quá trình phát minh mà thôi. Chỉ sau hai tháng thành lập Fairchild, Hoerni đã đưa ra phương pháp sản xuất transistor trên một bề mặt – gọi là ‘planar manufacturing’. Nếu chúng ta nhớ lại chiếc transistor cồng kềnh của Bardeen và Brattain (hình 4 trong bài Transistor - phát minh có ảnh hưởng lớn nhất tới cuộc cách mạng tin học) thì Hoerni đưa ra một cách chế tạo hàng loạt các transistor ngay trong một bề mặt của chất bán dẫn có độ dày chỉ vài chục micron (để dễ hình dung, kích thước của sợi tóc bằng khoảng 100 micron).
Vào lúc Hoerni đưa ra ý tưởng này (tháng 12.1957) Fairchild chưa có đủ phương tiện kỹ thuật để thực hiện. Mãi đến năm 1958 khi có đủ các điều kiện, Hoerni đã cùng với một nhà thực nghiệm và cũng là một trong tám người sáng lập ra Fairchild là Jay Last đã thực hiện chế tạo transistor kiểu mới này với mục đích ban đầu là khắc phục nhược điểm sản phẩm transistor dễ hỏng nói trên.
Vượt quá mọi sự mong đợi, Hoerni và Last chứng minh được rằng không những transistor sản xuất trên bề mặt như vậy chất lượng rất hoàn hảo mà còn có thể sản xuất hàng loạt với giá thành giảm rất nhiều. Đó cũng là tiền đề cho phát minh và sản xuất chip bán dẫn ra đời ngay sau đó. Ngày 14.1.1959 Faichild nộp đăng ký bằng phát minh trong đó ý tưởng chính được trích nguyên xi từ quyển vở ghi chép thí nghiệm của Hoerni từ tháng 12.1957.
Một trong những mạch IC đầu tiên gồm có 4 transistor do Jay Last chế tạo theo phương pháp bề mặt tại Fairchild. Nguồn: Theo tư liệu của Fairchild.
Chín ngày sau khi Hoerni nộp đăng ký bằng phát minh nói trên, Robert Noyce đã phát triển thêm một ý quan trọng và đó cũng có thể coi là phát minh ra chip bán dẫn đầu tiên. Noyce ghi trong quyển vở ghi chép thí nghiệm của mình rằng thật là phí phạm khi cả một tấm bán dẫn như vậy mà chỉ sản xuất được một số transistor nhỏ xíu. Sau đó lại phải cắt rời các transistor ra từ tấm bán dẫn đó, rồi khi sử dụng lại phải nối chúng lại vào các mạch điện.
Noyce viết: “Trong nhiều ứng dụng người ta mong muốn có nhiều linh kiện kết nối với nhau trên cùng một tấm bán dẫn silicon và như vậy sẽ giảm kích thước, khối lượng của hệ thống và giảm giá thành sản phẩm...” Noyce đưa thêm vào phát minh của Hoerni các mạch nhỏ bằng nhôm liên kết các bộ phận khác nhau trong một mạch điện, sau đó phủ lên một lớp cách điện tạo ra một mạch tích hợp điện tử (integrated circuit - IC) và là tiền thân của chip bán dẫn sau này.
Thực chất chip bán dẫn chỉ là một tổ hợp của hàng ngàn thậm chí hàng trăm ngàn các mạch IC nói trên nhưng với kích cỡ vô cùng nhỏ và vì vậy chúng còn được gọi là các vi mạch điện tử bán dẫn.
Các chip bán dẫn được thiết kế khác nhau để phục vụ cho các chức năng của các thiết bị điện tử khác nhau. Tựu trung, chúng cũng chỉ là các hệ thống điều khiển điện tử dựa trên các chức năng ‘on’ và ‘off’ của các transistor và các tổ hợp phức tạp của chúng thông qua các mạch điện.
Các chip bán dẫn ngày càng tinh vi và phức tạp gắn liền với mức độ xử lý thông tin nhanh và phức tạp của các hệ thống điều khiển. Ví dụ như một bộ vi xử lí (microprocessor) Intel 386 của máy tính vào năm 1996 có khoảng 7 triệu linh kiện bán dẫn trên một bề mặt lớn cỡ 1 con tem thì ngày nay bộ vi xử lý của iPhone có đến hơn 40 tỷ linh kiện trên cùng một diện tích bề măt như thế.
Tổng thống Joe Biden cầm một con chip trên tay khi ông phát biểu trước khi ký ban hành sắc lệnh về việc đảm bảo các chuỗi cung ứng cho chip máy tính vào ngày 24.2.2021. Nguồn: AFP/Getty Images.
Trong năm 1959 transistor bề mặt được phát triển và sản xuất hết sức nhanh chủ yếu là do thúc đẩy của Công ty Autonetics đang chế tạo hệ thống máy tính điều khiển tên lửa Minutemen, vốn đòi hỏi cực kỳ gắt gao các tiêu chuẩn ổn định và chính xác. Cũng trong thời gian này Bell Labs cũng phát triển thêm một công nghệ mới sản xuất một loại transistor khác gọi là metal-oxide-semiconductor (MOS) transistor.
Vào năm 1961, Fairchild thông báo sản xuất thành công các mạch IC đầu tiên gọi là ‘Micrologic’. Nửa năm sau TI cũng cho ra đời các IC riêng của họ. Cũng từ đó các máy tính điện tử dựa trên các bộ vi xử lý bán dẫn cũng bắt đầu được phát triển.
Chính việc ra đời các chip bán dẫn với hàng tỷ linh kiện bán dẫn và transistor trên một bề mặt nhỏ xíu là tiền đề cho các máy tính cá nhân (PC) nhỏ bé nhưng công suất tính toán siêu phàm hơn nhiều các máy tính đồ sộ trước đó. Một ví dụ hay được đưa ra có tính ví von và cách điệu hóa nhưng không xa thực tế là bộ vi xử lý của một smartphone như của IPhone còn có nhiều chức năng siêu phàm hơn cả hệ thống điều khiển phi thuyền Apollo đổ bộ lên mặt trăng năm 1968. Nói như Bill Gates, nếu như không có phát minh ra transistor thì chắc chắn không có sự phát triển của máy tính như ngày nay và cũng không có cuộc cách mạng tin học đem lại cho nhân loại biết bao lợi ích to lớn.
Phi thuyền Apollo đổ bộ lên mặt trăng năm 1968 và chiếc IPhone 14. Nguồn: TL
Ngày nay, hầu như không có một thiết bị điện tử nào mà không có hệ thống điều khiển bằng các chip bán dẫn gồm có các transistor. Hàng năm, hàng chục tỷ chip bán dẫn được sử dụng trong các bộ điều khiển từ đồ chơi trẻ em cho đến smartphone, tàu bè, xe hơi, máy bay... Không những transistor silicon và chip bán dẫn có những chức năng tuyệt vời như nói trên, silicon là vật liệu có rất nhiều trong tự nhiên. Với các nghiên cứu và phát triển không ngừng của các nhà khoa học, ngày nay một người bình thường trong xã hội cũng có thể sở hữu một hệ thống máy tính mạnh tương đương với cả hệ thống điều khiển du thuyền vũ trụ những năm 1960 trị giá hàng chục triệu USD thời bấy giờ. Đó chính là tác động thần kỳ của transistor đối với cuộc cách mạng tin học mà chúng đang chứng kiến, nhưng đa số chúng ta hầu như không biết tới.
Những nước như Nhật Bản, Hàn Quốc và Đài Loan nhờ tham gia sớm và tích cực trong công cuộc phát triển công nghệ bán dẫn đã trở thành các nền kinh tế kỳ diệu (mời bạn đọc xem thêm tuyến bài Người gầy dựng nền công nghệ chip bán dẫn của Đài Loan). Ngược lại, cũng có nhiều quốc gia vốn là các cường quốc khoa học nhưng đã bỏ lỡ "chuyến tàu công nghệ" thế kỷ. Trong phần tiếp theo chúng tôi sẽ trình bày về câu chuyện này.
Còn tiếp...
Nguyễn Trung Dân
New York, tháng 9.2022
_
Bài 5:
Khi phát minh tầm cỡ bị quên lãng vì... bom nguyên tử
- Jean Hoerni - 'cha đẻ' của chip bán dẫn
- Phát minh transistor silicon và sự ra đời của Silicon Valley
- Transistor - phát minh có ảnh hưởng lớn nhất tới cuộc cách mạng tin học
Những sự trùng hợp tình cờ
Điều đáng kinh ngạc nhất là transistron của Mataré và Welker có thiết kế giống gần y chang thậm chí gần như sinh đôi với transistor của Bardeen và Brattain. Cũng cần nói thêm là trước đó cả Mataré và Welker đã tham gia các nghiên cứu và phát triển rada của quân đội Đức quốc xã trong thời kỳ. Sau chiến tranh, họ được những người thắng cuộc điều tra, thẩm vấn và cuối cùng được nhận về làm việc tại một cơ sở nghiên cứu ở ngoại ô thủ đô Paris của nước Pháp.
Phát minh poin-contact transistor đầu tiên của Bardeen và Brattain, tháng 12.1947. Nguồn ảnh tư liệu
Những thông tin về transistron lúc bấy giờ làm cho các nhà nghiên cứu và lãnh đạo của Bell Labs hết sức lo lắng không chỉ về các vấn đề kỹ thuật và công nghệ mà cả các vấn đề pháp lý có thể xảy ra. Chính vì lý do đó mà Bell Labs đã yêu cầu một nhân viên của họ là Alan Holden đang đi nghỉ ở Anh vào tháng 5.1949 ghé qua Paris để tham quan phát minh transistron của Mataré và Welker. Trong bức thư gửi Shockley đề ngày 14.5.1949, Holden đã tỏ ý hoài nghi việc các nhà khoa học ở Paris đã tự sáng chế ra transistron. Ông viết “… thật khó mà tin được rằng công việc nghiên cứu transistron của người Pháp là hoàn toàn độc lập…”.
Chỉ mấy ngày sau, Bộ trưởng Bưu điện bưu chính và viễn thông của Pháp đã chính thức thông báo trên các phương tiện truyền thông đại chúng và ca ngợi phát minh của hai nhà khoa học “một thành tựu xuất sắc của các nhà khoa học Pháp… Chỉ 4 năm sau WWII, một sáng chế tuyệt vời đã được phát minh từ nơi vẫn còn dấu tích tàn phá của chiến tranh …”
Trong bức thư sau chuyến đến tham quan nói trên, Holden viết “… Họ chỉ có những nhóm nghiên cứu nhỏ, làm việc trong những cơ sở tồi tàn như tổ chuột ở các nông trại, xưởng sản xuất format, trong nhà tù ở ngoại ô Paris. Họ toàn là những người trẻ tuổi và rất hăng hái…”[2]
Cũng tương tự như ở Mỹ, trong thời gian WWII các chất bán dẫn được ưu tiên nghiên cứu và phát triển ở Đức cho các ứng dụng trong rada và quốc phòng, mặc dù các nghiên cứu này khá muộn so với Mỹ và các nước phe Đồng minh. Cả Mataré và Welker đã đóng các vai trò quan trọng trong chương trình phát triển rada của nước Đức quốc xã. Tuy nhiên họ chưa gặp nhau cũng như chưa từng cùng làm việc với nhau trong thời kỳ chiến tranh.
Mataré tốt nghiệp chương trình sau đại học (tương đương với thạc sỹ ở Mỹ) bắt đầu tham gia chương trình phát triển rada của quân đội Đức ở Berlin từ năm 1939 khi quân đội của Hitler đang tấn công Ba Lan. Dựa trên các kết quả nghiên cứu của mình trong thời gian này ông đã bảo vệ và nhận bằng tiến sỹ ở đại học Technical University of Berlin (TU Berlin) năm 1942.
Vào lúc bấy giờ các hệ thống rada của Đức không thể nào bắt được các tín hiệu có bước sóng ngắn dùng để phát hiện máy bay và các mục tiêu nhỏ. Lý do là các bộ chỉnh lưu rada của Đức vẫn còn sử dụng các bóng đèn điện tử chân không và các hệ thống này không hoạt động được ở các tần số cao (tương đương với bước sóng ngắn). Mataré đã tiến hành các thí nghiệm của riêng mình với các chất bán dẫn để áp dụng cho các hệ chỉnh lưu của rada.
Từ trái sang: William Shockley, Walter Brattain và John Bardeen, ba nhà khoa hoc phát minh ra transistor đầu tiên, cùng nhận giải Nobel Vật Lý năm 1956. Nguồn: Getty Images
Một điều thú vị là ngay từ lúc còn nhỏ Mataré đã có ham thích nghiên cứu radio và vào những năm 1920 đã tự chế cho gia đình của mình (vốn di cư từ Bỉ sang Đức) một chiếc radio nhỏ để có thể nghe các chương trình âm nhạc trên đài phát thanh lúc bấy giờ. Trong chiếc đài tự chế của mình, cậu bé Mataré đã sử dụng một mẩu bán dẫn silicon nhỏ xíu. Mặc dù vào thời kỳ đó không một ai hiểu gì về các chất bán dẫn nhưng chúng vẫn được sử dụng trong một số thiết bị. Sau này, khi Mataré bắt đầu nghiên cứu phát triển rada cho quân đội Đức quốc xã, các lý thuyết lượng tử về chất rắn, đặc biệt của nhà Vật lý người Đức Walther Schottky làm việc cho hãng Siemens ở Munich đã giúp cho các nhà khoa học hiểu khá rõ về chất bán dẫn và ứng dụng của chúng trong các hệ thống chỉnh lưu của rada.
Khi các trận chiến bắt đầu xảy ra một cách ác liệt, giới công nghiệp quốc phòng đề nghị các nhà lãnh đạo quân đội Đức cho tập trung nghiên cứu các hệ thống rada có bước sóng ngắn để phát hiện máy bay phe Đồng Minh và các mục tiêu có kích thước nhỏ khác. Họ lập luận rằng các hệ thống rada đó có thể được gắn vào các máy bay giúp hoạt động và chiến đấu trong các điều kiện thời tiết xấu. Tuy nhiên, các đề nghị này đã bị các tướng lĩnh Đức tự mãn bỏ ngoài tai sau các chiến thắng áp đảo của quân đội Đức quốc xã trong thời kỳ đầu của cuộc chiến tranh.
Thống chế không quân Hermann Göring vốn là một phi công chiến đấu thời WWI cho rằng bản chất siêu việt của chủng tộc Aryan là yếu tố quyết định cho các chiến thắng của các phi công Đức trên mặt trận chứ không phải là do nhờ các thiết bị điện tử mù mờ khó hiểu. Göring từng tuyên bố “các phi công của tôi không cần đến máy chiếu phim trên máy bay”. Tuy nhiên, đến tháng 2 năm 1943 khi một chiếc máy bay ném bom Sterling của Anh bị bắn rơi và người Đức sau khi kiểm tra xác chiếc máy bay nhanh chóng phát hiện ra rằng công nghệ rada của họ quá lạc hậu so với phe Đồng minh.
Göring yêu cầu phân tích kỹ hệ thống rada của người Anh và cho triệu tập hơn một ngàn các nhà khoa học, kỹ sư và kỹ thuật viên từ mặt trận quay trở về tập trung phát triển hệ thống rada mới. Đến mùa hè 1943 mô hình hệ thống rada mới của quân đội Đức quốc xã được xây dựng hoàn thành, nhưng đã quá muộn để có thể đưa vào sản xuất và sử dụng. Vào lúc này, không quân của Đồng minh với các hệ thống rada gắn trên máy bay có thể tấn công khá chính xác các mục tiêu trên mặt đất, gây tổn thất lớn cho quân Đức, đồng thời khiến các cơ quan nghiên cứu của Đức phải di chuyển liên tục để tránh bom, ảnh hưởng nặng nề đến các kết quả nghiên cứu.
Một máy bay ném bom của Đức trong Thế chiến II. Nguồn: Wikipedia
Vào tháng Giêng năm 1944, cơ sở nghiên cứu của Mataré phải di chuyển qua Wroclaw (Ba lan) để tránh bom. Chính trong thời gian này ông đã phát hiện ra một hiện tượng kỳ lạ khi đặt hai mẩu kim loại cách nhau khoảng 100 micron trên bề mặt của chất bán dẫn germanium. Mataré có cảm giác dường như ông có thể khuếch đại được dòng điện bằng mẩu bán dẫn germanium nhưng cuối cùng vẫn không thể nào đạt được.
Vào tháng 1.1945, mặt trận phía Tây của quân đội Đức bị phá vỡ, nhóm nghiên cứu của Mataré phải chuyển về Đức và toàn bộ các tài liệu nghiên cứu bị đốt để khỏi rơi vào tay quân Liên Xô. Tại Đức, nhóm nghiên cứu của Mataré vừa mới bắt tay vào làm việc thì đã bị quân đội Mỹ chiếm thành phố của họ và cho giải tán nhóm nghiên cứu. Mataré được cho trở về nhà sinh sống cùng gia đình ở Kassel, Đức.
Điều thú vị là phát hiện của Mataré vào năm 1944 nói trên rất gần với thiết kế point-contact (tiếm xúc điểm) transistor mà Bardeen và Brattain phát minh vào tháng 12.1947 sau đó. Cũng tương tự như các nhà nghiên cứu của Bell Labs vào những năm 1945-1947, Mataré vào năm 1944 cũng không thể nào hiểu nổi các kết quả thí nghiệm của mình và chật vật mãi vẫn không khuyếch đại được dòng điện.
Như chúng ta đã biết trong bài Transistor - phát minh có ảnh hưởng lớn nhất tới cuộc cách mạng tin học, từ tháng 5.1945 đến tháng 12.1947, sau hơn hai năm nghiên cứu các thí nghiệm tương tự Bardeen và Brattain cũng không thu được kết quả khuếch đại dòng điện. Mãi cho đến tháng 12.1945 sau khi Bardden tìm ra hiệu ứng trạng thái bề mặt và kết luận đây chính là nguyên nhân cản trở sự khuyếch đại thì họ mới thành công về mặt thực nghiệm và transistor đầu tiên mới được phát minh.
Ảnh Mataré (chụp 1946) và Welker (1970). Ở giữa là ảnh chiếc transsitron. Nguồn: IEEE Spectrum
Một sự trùng hợp tình cờ khác cũng vô cùng thú vị. Giống như trường hợp transistor đầu tiên được phát minh bởi hai nhà vật lý của Bell Labs, một thực nghiệm và một lý thuyết, phát minh ra transistor đầu tiên của châu Âu cũng do hợp tác giữa một nhà vật lý thực nghiệm và một nhà vật lý lý thuyết.
Mataré như đã kể trên đây là nhà thực nghiệm, còn nhà lý thuyết kia là Welker, người trong thời gian chiến tranh làm việc trong một phòng thí nghiệm ở Munich. Con đường nghiên cứu khoa học của Welker cũng có nhiều điểm trùng hợp với Bardeen một cách kỳ lạ. Cũng như Bardeen, Welker đã từng nghiên cứu lý thuyết lượng tử chất rắn trong những năm 1930 và sau đó sử dụng kiến thức này để giúp phát minh ra transistor. Ngay trước khi kết thúc chiến tranh, Welker bắt đầu nghiên cứu lý thuyết về hiện tượng khuyếch đại điện tử bằng các chát bán dẫn silicon và germanium.
Vào đầu năm 1945, Welker đã phác họa ra ý tưởng về hệ thống khuyếch đại dòng điện dựa trên một hiệu ứng giống hệt như ‘hiệu ứng trường’ (field effect) mà Shockley đề xuất vài tháng sau đó. Tuy nhiên, vào tháng 3.1945 các thí nghiệm của Welker và đồng nghiệp đều thất bại, không thu được sự khuếch đại nào cả. Gần như cùng một lúc, vào tháng 5 năm 1945 các thí nghiệm của Shockley và Bratain dựa trên cùng một ý tưởng cũng thất bại tương tự. Sau các thất bại thực nghiệm nói trên cũng như do việc chiến tranh kết thúc, Welker quay sang nghiên cứu lý thuyết về hiện tượng siêu dẫn – lại một sự trùng hợp thú vị nữa vì như đã nói ở bài Transistor - phát minh có ảnh hưởng lớn nhất tới cuộc cách mạng tin học, Bardeen sau này cũng nghiên cứu về lý thuyết siêu dẫn và đã được trao giải thưởng Nobel năm 1972 về lý thuyết mang tên ông va hai đồng nghiệp khác (BCS Theory).
Năm 1946, Welker bị thẩm vấn bởi các cơ quan tình báo của Anh và Pháp về các hoạt động của ông trong chương trình nghiên cứu rada của quân đội Đức quốc xã. Sau đó ông được đề nghị về làm việc cho một cơ sở nghiên cứu và phát triển (R & D) ở ngoại ô Paris với mục tiêu là phát triển các bộ phận chỉnh lưu bán dẫn germanium cho các hệ thống viễn thông điện tử và các thiết bị quốc phòng.
Cũng trong năm này, Mataré đang dạy học ở Đức cũng bị thẩm vấn và sau đó cũng nhận được một đề nghị về làm việc cùng cơ sở nghiên cứu mà Welker mới nhận việc. Vốn thành thạo tiếng Pháp (gia đình ông có gốc từ Bỉ) Mataré nhanh chóng chấp nhận công việc mới. Hai nhà vật lý trẻ người Đức ở độ tuổi 30 nhanh chóng thành lập nhóm nghiên cứu trong một ngôi nhà bỏ hoang ở ngoại ô Paris năm 1946.
Welker thiết lập một xưởng tinh chế tinh thể germanium dưới tầng hầm, Mataré tiến hành thực nghiệm và đo đạc trên tầng một của ngôi nhà. Chỉ đến cuối năm 1946 nơi đây đã sản xuất và cho ra lò hàng ngàn bộ chỉnh lưu hàng tháng. Tầng trên cùng của ngôi nhà được dùng làm văn phòng và chỗ ở. Mataré nhớ lại thỉnh thoảng tỉnh giấc vì tiếng đàn violin của Welker vang lên từ phòng bên cạnh.
Transistor phải ‘nhường chỗ’ cho... bom nguyên tử
Đến cuối năm 1947 khi sản phẩm các bộ chỉnh lưu đã đi vào sản xuất ổn định, Welker quay trở lại đề tài nghiên cứu mà ông yêu thích là hiện tượng siêu dẫn, trong khi Mataré lại tiến hành các thí nghiệm dở dang của mình về bộ khuyếch đại điện tử dùng chất bán dẫn germanium mà ông đã bắt đầu từ năm 1944.
Vào đầu năm 1948, Mataré lặp lại được các kết quả kỳ lạ trước đây của mình. Tuy vậy, cũng như lần trước ông không thể nào khuyếch đại được dòng điện khi cho hai thanh kim loại cách nhau khoảng 100 micron trên bề mặt của chất bán dẫn germanium. Bế tắc, Mataré trao đổi với Welker để tìm ra một giải đáp. Với sự giúp đỡ của Welker – lúc này đã là một chuyên gia hàng đầu về tinh chế và phát triển tinh thể germanium, họ đã tiến hành các thí nghiệm với các tinh thể germanium cực kỳ tinh chất cũng như một vài thay đổi trong thiết kế.
Cuối cùng vào tháng 6.1948, Mataré cũng đã đo được khuyếch đại dòng điện từ hệ thống của mình. Vô cùng vui sướng, Mataré và Welker gọi điện đến thông báo cho ông Eugène Thomas, Bộ trưởng bộ Bưu điện bưu chính và viễn thông của Pháp, Bộ chủ quản các phòng ngiên cứu của họ. Nhưng ông Bộ trưởng Thomas dường như quá bận rộn hoặc không quan tâm đúng mức nên đã bỏ quên. Cũng nên nhắc lại rằng, 6 tháng trước đó Bardeen và Brattain đã phát hiện được hiên tượng giống như vậy, nhưng mãi đến ngày 30.6.1948, Bell Labs mới chính thức công bố phát minh ra transistor và ngay ngày hôm sau được tờ New York Times đưa tin trên trang nhất, ca ngợi đó là một phát minh có tính đột phá.
Hệ thống điện thoại trên tàu thuỷ của Pháp. Nguồn ảnh tư liệu
Sau thông báo của Bell Labs, ông Bộ trưởng Thomas lập tức đến chứng kiến tận mắt phát minh của Mataré và Welker tại phòng thí nghiệm của họ. Ông Bộ trưởng giục hai nhà phát minh sớm đăng ký bằng bản quyền phát minh của Pháp và khuyên đặt tên transistron nghe gần giống tên transistor của Bell Labs.
Hai nhà phát minh vội vàng viết đơn đăng ký phát minh và nộp vào ngày 13.8 năm đó. Vào cuộc họp báo tháng 5.1949 Mataré và Welker đã cho trình bày các sản phẩm transistron của họ lúc bấy giờ đã bắt đầu được sử dụng để khuyếch đại tín hiệu trong hệ thống liên lạc điện thoại của Pháp. Báo chí Pháp ca ngợi hai nhà phát minh “The farther of transistron” không tiếc lời. Quả thực, so với point-contact transistor của Bell Labs thì transistron của Pháp lúc bấy giờ tỏ ra ưu việt hơn hẳn về mức độ ổn định và tuổi thọ.
Một năm sau, năm 1950, khi Brattain và Shokley đến tham quan phòng thí nghiệm ở Paris, Mataré đã cho họ xem hệ thống điện thoại gọi đi Algieri được khuyếch đại bằng transistron. Shockley không dấu được sự khâm phục, ông nói “cái này đáng nể đấy”. Điều đó cũng dễ hiểu thôi. Như đã nói ở bài Transistor - phát minh có ảnh hưởng lớn nhất tới cuộc cách mạng tin học, transistor do Bardeen và Brattain phát minh ra đầu tiên (12.1947) rất khó chế tạo, hơn nữa hoạt động không ổn định. Chính vì vậy mà sản phẩm transistor của Bell Labs thời kỳ đầu chủ yếu dựa vào junction transistor do Shockley phát minh đầu năm 1948 về mặt lý thuyết nhưng mãi đến cuối năm 1950 mới thành công về mặt thực nghiệm và được công bố chính thức vào tháng 5.1951. Vào thời điểm Shockley thăm Paris nói trên (5.1950) transistron của Mataré và Welker quả thực tốt hơn hẳn so với transistor do Bardeen và Brattain phát minh trước đó.
Như vậy là mặc dù transistron của Pháp được phát minh ra muộn hơn point-contact (tiếp xúc điểm) transistor của Bell Labs khoảng nửa năm, nhưng bước khởi đầu ứng dụng của transistron có vẻ thành công hơn. Như đã nói ở trên, vào năm 1950 transistron đã bắt đầu được sử dụng trong hệ thống điện thoại viễn thông của Pháp sang tận Angieri thì mãi sau 1951 junction (tiếp nối) transistor do Shockley phát minh mới thực sự được sản xuất và đưa vào sử dụng vài năm sau đó. Tuy nhiên, phát minh transistron nhanh chóng bị giới lãnh đạo khoa học và công nghệ Pháp quên lãng.
Vụ thử hạt nhân đầu tiên của Pháp, có tên mã là Gerboise Bleue (hay Blue Gerboise - Gerboise xanh lam) diễn ra lúc 7 giờ 04 sáng ngày 13.2.1960. Được kích nổ trên đỉnh một tháp cao, quả bom có đương lượng 60-70 kiloton, mạnh gấp 4 lần quả bom Little Boy ném xuống Hiroshima. Nguồn ảnh tư liệu
Theo nhà viết sử về khoa học và công nghệ Micheal Riordan của Đại học Stanford thì lí do là vào những năm 1950 giới lãnh đạo khoa học của chính quyền cũng như công luận của nước Pháp dường như bị cuốn hút “như bị mê hoặc” vào năng lượng hạt nhân. Sau khi Mỹ thả hai quả bom nguyên tử xuống hai thành phố Hiroshima và Nagasaki của Nhật Bản vào cuối WWII, thì nước Pháp cũng dốc toàn lực vào phát triển bom nguyên tử và năng lượng hạt nhân.
Vào những năm 1950 nước Pháp là nước duy nhất của phe Đồng minh thắng trận trong WWII chưa có bom nguyên tử và vì vậy vật lý hạt nhân là lĩnh vực được ưu tiên hàng đầu của chính quyền cũng như được công chúng hết sức ủng hộ. Chính vì vậy, sau những giây phút hân hoan chào đón ban đầu của chính quyền và truyền thông Pháp, chẳng bao lâu sau không mấy ai quan tâm đến transistron nữa. Cần lưu ý là ứng dụng của transistron lúc bấy giờ chỉ tập trung cho hệ thống liên lạc viễn thông điện thoại của Pháp do nhà nước quản lý, vì vậy vai trò của chính quyền Pháp đặc biệt quan trọng, khác hoàn toàn với tình hình ở Mỹ là do các công ty tư nhân như AT&T làm chủ và khai thác.
Chính vì vậy, hai năm sau phát minh ra transistron, sự tài trợ cho các nghiên cứu tiếp theo giảm một cách đáng kể. Mataré và Welker không thấy có cơ hội và khả năng phát triển ở Pháp nữa và lần lượt trở về làm việc ở Đức, quê hương của họ.
Một phát minh, hai số phận
Năm 1951 Welker nhận được một vị trí nghiên cứu của hãng Siemens ở Erlangen (Đức) và ông là một trong những người nghiên cứu tiên phong phát minh ra một loại bán dẫn mới (thường được gọi là III-V semiconductors) được sử dụng chế tạo laser, đóng vai trò quan trọng trong cuộc cách mạng khoa học và công nghệ, đặc biệt trong lĩnh vực quang điện tử (optoelectronics). Năm 1969, Welker được giao phụ tránh các chương trình nghiên cứu của Siemens. Ông về hưu năm 1977 và mất vào năm 1981.
Năm 1952, được sự tài trợ tài chính của Jakob Michael một doanh nhân giàu có người Đức, Mataré thành lập ra công ty Intermetall ở Düsseldorf (Đức), sản xuất các thiết bị chỉnh lưu và transistor germanium dựa vào phát minh của ông ở Pháp. Điều đáng ngạc nhiên là chiếc radio bán dẫn đầu tiên của thế giới được sản xuất bởi Intermetall năm 1953 chứ không phải là ai khác, sớm hơn một năm so với chiếc radio của Texas Instruments (TI) bán ở Mỹ năm 1954 với giá 49.95 USD như đã viết ở bài Transistor - phát minh có ảnh hưởng lớn nhất tới cuộc cách mạng tin học.
Ảnh một nhân viên của Intermetall đang trình bày chiếc radio bán dẫn đầu tiên trên thế giới năm 1953. Nguồn: IEEE Spectrum
Tuy nhiên, vào năm 1955 doanh nhân Jakob Michael bán Intermetall cho Clevite Corp - một công ty ở Cleveland (Ohio, Mỹ) và công ty này đã chuyển trọng tâm vào sản xuất, cho dừng hầu hết các nghiên cứu về bán dẫn. Cũng từ đây, lĩnh vực nghiên cứu và sản xuất transistor non trẻ của châu Âu mất dần sức sống.
Lúc bấy giờ Bell Labs đã bắt đầu sản xuất transistor kết nối do Shockley phát minh tốt hơn hẳn loại tiếp xýc điểm của Intermetall. Cuối cùng, sự ra đời của transistor silicon (10.1955) của TI ở Texas và chip bán dẫn của Fairchild Semiconductor ở California cuối năm 1958 cũng chính là lúc đặt dấu chấm hết cho sự phát triển công nghệ transistor của châu Âu do không thể cạnh tranh vì thiếu đầu tư cho nghiên cứu tương tự như ở Mỹ.
Quá thất vọng, Mataré rời bỏ nước Đức và di cư qua Mỹ làm việc trong ngành công nghiệp bán dẫn ứng dụng cho pin mặt trời và cũng đạt được nhiều thành công với nhiều công bố và phát minh quan trọng trong lĩnh vực này. Ông mất năm 2011.
Như vậy là, dù phát minh transistron muộn hơn transistor của Bell Labs khoảng 6 tháng, nhưng về mặt công bố chính thức thì chỉ muộn hơn một tháng do Bell Labs giữ kín để hoàn thành các thủ tục đăng ký phát minh. Về mặt thời gian mà nói thì sự khác biệt này gần như không đáng kể. Vậy tại sao trong khi Bell Labs và các công ty của Mỹ đã biến phát minh transistor thành một đột phá kỹ thuật mở đầu cho một cuộc cách mạng khoa học và công nghệ như đã trình bày trong các phần trước thì các công ty của Pháp và châu Âu đã để tuột mất cơ hội vàng đó? Theo các nhà nghiên cứu lịch sử về khoa học và công nghệ thì có vài nguyên nhân cơ bản như sau.
Thứ nhất, yếu tố đóng vai trò cực kỳ quan trọng và được coi là điều kiện cần là nhóm nghiên cứu của Bell Labs đã được đặt ra mục tiêu rõ ràng ngay từ đầu và được đầu tư tài trợ hiếm nơi có được. Như đã nói ở trên, giám đốc nghiên cứu của Bell Labs - ông Kelly - đã thành lập nhóm nghiên cứu bán dẫn từ năm 1936 với mục đính chế tạo bộ khuyếch đại thay thế cho các đèn điện tử ống chân không đang là vấn đề nhức nhối và là nhu cầu cấp thiết của AT&T. Mặc dù lý thuyết lượng tử chất rắn vừa mới ra đời và còn khá xa lạ với hầu hết tất cả mọi người lúc bấy giờ, kể cả với chính bản thân, ông Kelly đã tin tưởng và chọn một nhà lý thuyết trẻ để giao cho xây dựng nhóm nghiên cứu này.
Có thể nói, ban lãnh đạo của Bell Labs có tầm nhìn xa hiếm có, và điều đó là vô cùng quan trọng. Ngoài ra, do khả năng tài chính vững chắc, Bell Labs mới có thể theo đuổi một mục tiêu khá xa vời như vậy. Chính vì thế mà nhóm của Shockley dù sau bao nhiêu thất bại nhưng vẫn kiên trì theo đuổi nghiên cứu trong một thời gian dài từ 1936 cho đến 1950. Ngay cả nếu không tính thời gian thế chiến II (từ năm 1939 đến 1945), thì một sự đầu tư lâu dài như vậy có thể nói hầu như khó có thể xảy ra ở hầu hết các công ty tư nhân. Do vai trò hết sức đặc biệt trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ như vậy mà Bell Labs được ghi nhận là một cơ sở nghiên cứu huyền thoại trong lịch sử phát triển khoa học và công nghệ của thế giới.
Điều kiện thứ hai và cũng là điều kiện đủ cho sự thành công của transistor Bell Labs, đó là việc các nhà nghiên cứu của Bell Labs có được một sự hiểu biết lý thuyết và kiến thức về chất bán dẫn hơn hẳn các nhà khoa học ở Pháp lúc bấy giờ. Chính vì vậy, các nghiên cứu transistor của Bell Labs ngay từ đầu đã được định hướng khá rõ ràng bởi các tính toán và các mô hình lý thuyết của Shockley và Bardeen.
Trong khi đó, các thí nghiệm ban đầu của Mataré hầu như chỉ là mò mẫm, mãi về sau này mới có sự cộng tác về mặt lý thuyết với Welker. Mặc dù vậy, sự hiểu biết lí thuyết bán dẫn của Welker cũng có hạn vì ông đang theo đuổi nghiên cứu các vấn đề khác. Mataré kể lại rằng sau khi đo được sự khuyếch đại bằng chất bán dẫn germanium, Mataré và Welker tranh cãi nhau khá lâu về lí do và nguyên tắc hoạt động của hệ thống và cũng vì vậy đã làm chậm trễ việc công bố phát minh.
Mataré cho rằng Welker không hiểu các thực nghiệm của mình vì Welker chỉ tập trung vào lý thuyết siêu dẫn. Mãi đến khi đọc cách giải thích lý thuyết của Bardeen trong công bố phát minh transistor của Bell Labs thì Mataré mới thấy cách giải thích của Welker có lý. Ngay cả Welker cũng hiểu rõ hơn nguyên lý hoạt động nhờ đọc cách giải thích của Bardeen.
Đặc biệt hơn thế nữa, nhờ có sự hiểu biết vượt trội về lý thuyết mà Bell Labs nhanh chóng phát triển các loại transistor tiếp theo như transistor tiếp nối của Shockley có chất lượng tốt hơn hẳn, đặc biệt là transistor silicon, chip bán dẫn... Chính vì không có được các nghiên cứu tiếp theo như của Bell Labs mà transistron của Mataré và Welker cũng bị bỏ rơi nhanh chóng vì không thể cạnh tranh được với sự phát triển hết sức nhanh chóng ở Mỹ lúc bấy giờ.
Cuối cùng, hệ thống hạ tầng cơ sở cho nghiên cứu và phát triển (R&D) là một yếu tố hết sức quan trọng góp phần cho sự phát triển mạnh mẽ của ngành công ngiệp transistor và chip bán dẫn ở Mỹ mà các nước châu Âu lúc bấy giờ không có được. Châu Âu dù có một nền khoa học đồ sộ nhưng hệ thống hạ tầng cơ sở bị tàn phá rất nặng nề sau WWII. Chính nhờ có một cơ sở hạ tầng nghiên cứu tốt như vậy ở Mỹ, chỉ cần có một ý tưởng quan trọng tung ra ở một cơ sở nào đó (ở đây là transistor của Bell Labs) thì chỉ trong một thời gian ngắn nó đã được phát triển với mức độ cao hơn rất nhiều ở những cơ sở khác như transistor silicon và chip bán dẫn được phát triển bởi Texas Instruments và Fairchild Semiconductor, Intel vv ở California và nhiều nơi khác nữa.
Trong phần tiếp theo chúng tôi sẽ đi vào những phát triển công nghệ bán dẫn ở các nước khác, đặc biệt là ở Trung Quốc và bài học từ thất bại mới đây của công ty với vốn 20 tỷ USD của nước này.
Còn tiếp...
Nguyễn Trung Dân
New York, tháng 9.2022
___________
Tài liệu tham khảo: M. Riordan “How Europe missed the transistor”, www.spectrum.ieee.org November 2005.
[1] https://nguoidothi.net.vn/transistor-phat-minh-co-anh-huong-lon-nhat-toi-cuoc-cach-mang-tin-hoc-37168.html
[2] Nguyên văn: “They have little groups in all sorts of rat holes, farm houses, cheese factories, and jails in the Paris suburbs. They are all young and eager.”
Tác giả bài viết có trên 25 năm nghiên cứu về vật lý lý thuyết và ứng dụng các chất bán dẫn, trong đó có thời gian nghiên cứu ở Italy, Đức, Nhật và Mỹ (từ 1998). Là Associate Research Professor của Đại học Arizona cho đến 2017 chuyển sang làm nghiên cứu viên cao cấp tại trung tâm nghiên cứu của một công ty công nghệ cao, đa quốc gia tại New York, nghiên cứu về lĩnh vực Viễn Thông lượng tử và Mô phỏng lượng tử, đồng thời vẫn tiếp tục giữ cương vị giáo sư ngoài biên chế (Adjunct Professor) của Đại học Arizona. Là tác giả cuốn sách chuyên môn “Modeling and design photonics by examples using Matlabs” đang được sử dụng làm giáo trình trong một số Đại học ở Mỹ.
