– Thu nhỏ vượt mọi giới hạn

Dung sai: 0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 01

Chúng ta không bao giờ biết chính xác được hai yếu tố quan trọng quyết định chuyển động của các hạt nhỏ nhất – vị trí và vận tốc, đồng thời cũng như vận tốc của một hạt tại cùng một thời điểm.

– Werner Heisenberg, Die Physik der Atomkerne (1949)

Cứ vài tuần một lần, bắt đầu từ mùa hè năm 2018, ba máy bay chở hàng Boeing cỡ lớn, thường là máy bay 747 được cải tạo và không có cửa sổ của hãng hàng không Hà Lan KLM, sẽ khởi hành từ sân bay Schiphol ngoại ô Amsterdam, mang hàng hóa giá trị cao tới thành phố Chandler, nằm trên một hoang mạc ngoại vi thành phố Phoenix, Arizona. Hàng được chở luôn là 9 hộp màu trắng trên mỗi máy bay, hộp nào cũng cao hơn đầu người. Để đưa những hộp cực nặng này từ sân bay ở Phoenix tới đích đến cách đó 32km cần một đoàn hơn 12 chiếc xe tải 18 bánh. Sau khi tới nơi, những vật thể đựng trong hộp được dỡ ra và lắp ghép thành một cỗ máy khổng lồ nặng 160 tấn – một máy công cụ, hậu duệ trực tiếp của các máy công cụ được Joseph Bramah, Henry Maudslay, Henry Royce, Henry Ford phát minh nhiều năm trước.

Cũng như những tiền bối bằng gang của nó, cỗ máy khổng lồ sản xuất tại Hà Lan này (tổng cộng 15 cỗ trong đơn đặt hàng, gửi tới Chandler ngay sau khi hoàn thiện) là máy dùng để chế tạo máy. Nhưng chức năng của nó không phải là tạo ra những thiết bị cơ khí bằng cách cắt kim loại từ kim loại một cách chính xác, mà là tạo ra những cỗ máy nhỏ nhất mà con người có thể tưởng tượng, những cỗ máy điện tử không chứa bất kỳ bộ phận chuyển động nào có thể thấy được bằng mắt thường.

Quá trình tiến hóa trong một phần tư thiên niên kỷ của công nghệ chính xác đã dẫn đến nơi đây. Trước đó, hầu như tất cả các tạo vật chế tạo ít nhiều chính xác đều được làm từ kim loại và hoạt động thông qua các chuyển động vật lý. Pít-tông lên và xuống, khóa đóng và mở; súng bắn; máy khâu nối các mảnh vải với nhau, tạo viền và mép; xe đạp chạy trên đường; ô tô chạy trên xa lộ; ổ bi quay, tàu hỏa lao ra từ đường hầm; máy bay bay trên trời, kính viễn vọng được giương lên; đồng hồ kêu tích tắc, các kim di chuyển theo duy nhất một hướng sau mỗi giây.

Sau đó xuất hiện máy tính, máy tính cá nhân, điện thoại thông minh, và những dụng cụ nằm ngoài sức tưởng tượng – và trong quá trình phát triển hối hả của công nghệ, nhân loại đã đi tới một điểm tới hạn, một ngưỡng cửa vô hình, ngăn cách thế giới cơ khí và một thế giới câm lặng mà electron, proton, neutron thay thế cho sắt thép, dầu nhớt, trục quay, nơi ý tưởng cách mạng về cấu phần mang tính đổi lẫn không còn ý nghĩa, nơi không còn những chuyển động tương đối của cấu phần này so với những cấu phần kia (tuy rằng máy tính có thể tỏa nhiệt và phát sáng), nơi kích cỡ chính xác không còn là yêu cầu trọng tâm của mọi cấu phần. Công nghệ chính xác đã đạt mức độ chính xác chỉ dành cho cấp độ cận nguyên tử, với các thiết bị điện tử tuân theo những quy luật mới và thực hiện các tác vụ chưa từng được nghĩ đến trước đây.

Thiết bị được gửi đến Arizona, to như một căn hộ sau khi được lắp ráp hoàn chỉnh, là máy quét NXE.3350B EUV. Nó được sản xuất bởi một công ty Hà Lan ít được công chúng biết tới nhưng lại đóng vai trò hết sức quan trọng, với cái tên viết tắt là ASML. Mỗi máy trong đơn hàng được bán với giá 100 triệu đô-la, và giá trị của toàn bộ đơn hàng là 1,5 tỷ đô-la.

Đó không phải là con số lớn đối với công ty đặt hàng, một công ty hoạt động ở Chandler – trong một tổ hợp các tòa nhà đồ sộ thường gọi là các “fab”[∗], hay fabrication plant (nhà máy sản xuất), vì trong trật tự thế giới mới, bên cạnh các nhà máy sản xuất đồ kim khí còn có thêm các fab sản xuất đồ điện tử. Intel Corporation, một trong những rường cột của ngành sản xuất máy tính hiện đại từ 50 năm nay, có tổng tài sản trên 100 tỷ đô-la. Hoạt động kinh doanh chính của công ty là sản xuất, tại các fab rải rác trên toàn thế giới – nhà máy ở Chandler được gọi là Fab 42 – các bộ vi xử lý điện tử hay chip máy tính, bộ não của hầu hết các máy tính trên thế giới. Các thiết bị ASML khổng lồ được dùng để sản xuất chip và để đặt lên bảng mạch một số lượng khổng lồ các bóng bán dẫn (transistor), ở quy mô siêu nhỏ và ở độ chính xác siêu cao, thỏa mãn đòi hỏi về tốc độ và sức mạnh của các máy tính hiện đại.

Cỗ máy quang khắc EUV của ASML

Để sản xuất một thứ vi tế như chip máy tính hóa ra lại cần đến một cỗ máy khổng lồ. Máy in ảnh li-tô Twinscan NXE:3350B này, do công ty ASML của Hà Lan sản xuất, được ba máy bay chở hàng vận chuyển. Intel, nhà sản xuất chip lớn nhất thế giới, mua tới hàng chục máy như vậy với giá 100 triệu đô-la mỗi chiếc (bản quyền hình ảnh thuộc ASML)

Quá trình sản xuất chip và quá trình sản xuất máy móc tạo ra chip có liên hệ mật thiết với nhau và là những câu chuyện ấn tượng nhất của những năm gần đây liên quan tới công nghệ chính xác. Intel và ASML được ràng buộc với nhau[∗] bởi một công nghệ thực hiện ở quy mô nhỏ ngoài sức tưởng tượng, với dung sai không thể hình dung nổi ở vài chục năm trước, nhắm đến độ chính xác khó tin. Nhưng chúng ta vẫn phải tin, và không khó để lý luận rằng sự tồn tại của công nghệ này đã đem lại vô số lợi ích cho nhân loại, một luận điểm mà Intel và ASML sẵn lòng đồng tình.

Gordon Moore

Hiện tại, quy luật mà Gordon Moore (ngồi) đưa ra năm 1965, khi điều hành Fairchild Semiconductor, trong đó dự đoán năng lực của vi mạch tích hợp sẽ nhân đôi sau mỗi năm, sau đó thận trọng điều chỉnh thành nhân đôi cứ hai năm một lần) hiện vẫn đúng, tuy đa số chuyên gia cho rằng năng lực của chip đã gần chạm giới hạn (bản quyền hình ảnh thuộc Intel Free Press)

Gordon Moore, nhà đồng sáng lập của Intel, có lẽ là người chịu trách nhiệm lớn nhất cho xu hướng siêu chính xác của thế giới điện tử. Ông tích lũy được một khối tài sản khổng lồ từ việc phát minh ra các phương thức thu nhỏ kích thước transistor và nhồi nhét hàng triệu, sau đó là hàng tỉ transistor vào một chip duy nhất – trái tim và linh hồn của mọi thiết bị điện toán hiện nay. Nhưng ông được biết tới rộng rãi nhất vì đã dự đoán (vào năm 1965, ở tuổi 36 và đang trên đà thăng hoa) rằng kể từ thời điểm đó, kích thước của các cấu phần máy tính thiết yếu sẽ giảm đi một nửa trong khi sức mạnh và tốc độ máy tính sẽ tăng gấp đôi sau mỗi năm.

Một phiên bản sửa đổi của luật Moore, như cách gọi của một cộng sự của ông về dự đoán trên, kể từ đó đến nay được coi là Kinh thánh trong cộng đồng công nghệ, không chỉ bởi nó được chứng minh là đúng, dù ít dù nhiều, mà còn dự báo chính xác một cách phi thường. Nhưng như Moore đã nói, ông đưa ra dự đoán của mình chủ yếu không phải để mô tả sự phát triển của ngành công nghiệp máy tính mà là để thúc đẩy nó. Các hãng sản xuất chip máy tính ngày nay dường như đang dành hết nguồn lực và tâm huyết để tạo ra những con chip nhỏ nhất, chính xác nhất, chỉ để cho luật Moore tiếp tục có hiệu lực.

Xuất hiện nhan nhản trên các tạp chí chuyên ngành điện tử những năm gần đây là các bài viết lập luận rằng bộ chip mới này, bộ xử lý mới kia hay bo mạch chủ mới nọ, cho thấy luật Moore vẫn đúng trong 30, 40, 50 năm sau khi nó được đưa ra. Cứ như thể Moore có một cây sáo thần và cả ngành công nghiệp máy tính đang nghe theo tiếng sáo của ông mà đuổi theo những thiết bị vi tế hơn, mạnh mẽ hơn, dù cho nhiều người tiêu dùng cảm thấy đó là điều không cần thiết (một quan điểm nhuốm màu Luddite, thậm chí là báng bổ đối với ngành này). Có lẽ người tiêu dùng cần một quãng thời gian bình lặng, viên mãn, hơn là bị cuốn theo những chiếc iPhone đời mới nhất, những máy móc với bộ vi xử lý nhanh nhất, mới nhất (dù không biết rõ bộ vi xử lý là cái gì và làm việc gì), để bắt kịp trào lưu nhanh hơn, mạnh hơn, nhỏ hơn và đuổi kịp Moore.

Hội Các con số đã nằm ngoài sức tưởng tượng. Thế giới hiện có rất nhiều transistor đang hoạt động (15 tỷ tỷ, hay 15.000.000.000.000.000.000), nhiều hơn cả số lá cây trên hành tinh này. Năm 2015, bốn hãng sản xuất chip lớn nhất đã sản xuất 14 ngàn tỷ transistor mỗi giây. Hơn nữa, kích thước của mỗi transistor này hiện đã nhỏ đến cấp độ nguyên tử.

Nói như vậy – và việc transistor hiện có kích thước nguyên tử cho thấy các quy luật vật lý sẽ sớm ngáng đường sự phát triển tương lai – nhưng tôi cũng phải chỉ ra rằng các thiết bị điện tử thông thường có lẽ sắp chạm đến giới hạn vật lý, và luật Moore, sau năm thập kỷ đầy ly kỳ, có lẽ sắp hết hiệu lực. Tất nhiên không có gì ngăn cấm ngành công nghiệp máy tính tạo ra một công nghệ hoàn toàn mới để vượt qua các giới hạn trên, và đúng là họ đang làm như vậy. Liệu luật Moore có áp dụng được với công nghệ mới hay không vẫn còn là câu hỏi chờ thời gian trả lời.

GORDON MOORE SINH NĂM 1929, là con trai của cảnh sát trưởng Hạt San Mateo, Bắc California. Ý tưởng về thiết bị mà Moore dành cả sự nghiệp để phát triển – transistor – bắt nguồn từ một người mà Moore chưa bao giờ gặp mặt. Julius Lilienfeld, di cư từ Leipzig tới Massachusetts những năm 1920, đã đưa ra một số thiết kế sơ khởi về một cổng kết nối điện tử, thiết bị cho phép dùng một dòng điện với điện áp nhỏ, thông qua một loại vật liệu gọi là chất bán dẫn, để kiểm soát một dòng điện với điện áp lớn hơn nhiều – bao gồm tắt, bật và khuếch đại – mà không đòi hỏi cấu phần chuyển động và chi phí khổng lồ.

Trước đó, để làm việc này, người ta dùng các đi-ốt hoặc tri-ốt trong ống thủy tinh vừa mong manh, vừa đắt đỏ, lại vừa tỏa nhiều nhiệt (trong quá trình hoạt động). Lilienfeld hình dung về một thiết bị mới cùng chức năng nhưng ở thể rắn, cho phép các thiết bị điện tử vừa có ở kích thước nhỏ, chi phí sản xuất thấp, và vừa hoạt động được ở nhiệt độ thấp hơn. Ông đăng ký bằng sáng chế cho ý tưởng này ở Canada vào năm 1925, tiêu đề “Một phương pháp và dụng cụ điều khiển dòng điện.” Sơ đồ mà ông đưa ra chỉ dừng lại ở mức khái niệm về công nghệ và vật liệu thời đó không cho phép sản xuất một thiết bị như thế – nói cách khác tất cả những gì tồn tại là ý tưởng và nguyên lý.

Thời gian cứ thế trôi qua, ý tưởng vẫn cứ mòn mỏi ở đó. Phải mất 20 năm sau, khái niệm của Lilienfeld mới được hiện thực hóa và các transistor đã thực sự được phát triển và chế tạo khi chàng thanh niên Moore theo học hệ thống Đại học California, San Jose, và trở thành một sinh viên có học lực tốt nhưng không đặc biệt xuất chúng.

Hai ngày trước Giáng sinh năm 1947, ba nhà vật lý học ở Bell Labs gồm John Bardeen, Walter Brattain và William Shockley – người thứ ba là một người đàn ông khó tính, về sau bị phê phán vì ủng hộ thuyết ưu sinh và là tác giả của các tính toán thương vong mà Tổng thống Truman dùng làm căn cứ khi quyết định thả bom nguyên tử ở Hiroshima và Nagasaki – đã chế tạo thành công transistor đầu tiên. Nhờ công trình này mà họ giành được Giải Nobel Vật lý năm 1956: trong bài giảng của mình, Shockley nói rằng từ thành tựu của họ mà “có lẽ nhiều phát minh không thể đoán trước sẽ ra đời”. Thực tế đã vượt xa suy nghĩ của ông.

John Bardeen, William Shockley và Walter Brattain (trái sang phải), cùng giành giải Nobel Vật lý 1956 vì đã khám phá ra “hiệu ứng transistor”. Bardeen còn giành thêm một giải Nobel nữa vào năm 1972 cho công trình về chất bán dẫn, trở thành một trong bốn người duy nhất hai lần đạt giải Nobel

Phát minh của họ chưa được gọi là “transistor” – thuật ngữ này ra đời một năm sau đó, lắp ghép từ hai thuật ngữ chỉ các tính chất điện là transfer (chuyển đổi) và resistor (điện trở). Và thiết bị họ tạo ra không thể được gọi là nhỏ. Nguyên mẫu hiện đang được lưu giữ trong một lọ thủy tinh ở Bell Labs, tổ hợp dây dẫn và linh kiện bán dẫn làm từ germani, một á kim ánh bạc trước đó ít được nhắc tới, to cỡ bàn tay trẻ nhỏ.

Thế nhưng chỉ trong vài tháng, thiết bị có chức năng tạo ra hiệu ứng transistor này bắt đầu được thu gọn và đến giữa những năm 1950, khi radio bán dẫn đầu tiên được bán ra thị trường, người ta đã quen mắt với nó – một cái tai thủy tinh với ba dây dẫn đặc trưng đi ra từ một đầu, bao gồm một cực cửa để đưa điện áp lên hai đầu transistor và hai cực còn lại được gọi bằng cái tên không mấy hấp dẫn là cực nguồn và cực máng, chỉ hoạt động khi điện áp được cấp qua cực cửa.

Bóng bán dẫn đầu tiên của Phòng thí nghiệm Bell

Transistor đầu tiên, phát minh tại Bell Labs ở New Jersey ngay sát Giáng sinh 1947. Có thể nói đây là phát minh có ảnh hưởng lớn nhất của thế kỷ XX, đánh dấu bước ngoặt của công nghệ chính xác từ các máy móc cơ khí chuyển động sang các máy móc điện tử bất động, và từ vật lý Newton sang vật lý Einstein (bản quyền hình ảnh thuộc Windell H. Oskay, www.evilmadscientist.com)

Tuy có kích thước khiêm tốn và khả năng kỳ diệu, các tai thủy tinh dây dẫn này không thể được gọi là tí hon. Transistor tí hon chỉ trở nên khả dĩ về lý thuyết sau khi transistor làm từ đĩa bán dẫn silicon ra đời vào năm 1954, và tiến thêm một bước quan trọng vào năm 1959 khi các thiết bị hoàn toàn phẳng được chế tạo. Gordon Moore lúc này đã trải qua nhiều năm nghiên cứu khoa học tại Berkeley, Caltech, và Johns Hopkins, đã rời bỏ thế giới học thuật để tìm kiếm cơ hội kinh doanh trong ngành công nghiệp bán dẫn mới ra ràng. Người mời gọi ông chính là William Shockley, đã rời Bell từ năm 1956 và đi về hướng Tây tới Palo Alto để thành lập công ty riêng, Shockley Transistors, nhằm hiện thực hóa các phát minh “không thể đoán trước” mà ông từng tuyên bố.

Hành động của Shockley đánh dấu điểm khởi đầu của Thung lũng Silicon, thánh đường tương lai của ngành công nghiệp máy tính. Shockley, nhờ tiền thưởng từ giải Nobel và danh tiếng của mình, có đủ tiềm lực tài chính để tuyển dụng bất kỳ người nào ông muốn, và nhanh chóng tập hợp một đội ngũ khoa học xuất chúng, bao gồm Gordon Moore trong vai trò nhà hóa học trưởng, và nhiều kỹ sư, nhà vật lý trẻ xuất sắc khác.

Shockley sớm khiến tất cả bọn họ phát điên. Chỉ trong một năm, 8 trong số những nhân viên đầu tiên của ông rời bỏ công ty vì không chịu nổi kiểu điều hành độc đoán, bí mật cũng như tính đa nghi của ông (và bởi không hiểu vì lý do gì mà ông lại đưa silicon ra ngoài phạm vi nghiên cứu chất bán dẫn của công ty). Nhóm 8 người này, sau đó được biết tới với biệt danh mà Shockley miệt thị đặt cho họ, Tám Kẻ Phản Bội, thành lập một công ty mới vào năm 1957 mà sau này sẽ làm thay đổi thế giới. Công ty start-up[∗] của họ, Fairchild Semiconductor, sẽ tạo ra hàng loạt sản phẩm từ silicon, và không ngừng thu nhỏ chúng, cho chúng khả năng tính toán sánh ngang với những máy tính to bằng một căn buồng.

Phát minh ra transistor phẳng là một trong hai thành tựu vĩ đại nhất của Fairchild, tạo tiền đề để thu nhỏ kích thước transistor và là cảm hứng để Gordon Moore đưa ra dự đoán nổi tiếng của mình. Tác giả của phát minh này gần như đã bị quên lãng bên ngoài ngành bán dẫn. Jean Amédée Hoerni, một trong số 8 người bỏ Shockley để thành lập Fairchild, là một nhà vật lý lý thuyết sinh trưởng trong một gia đình làm ngân hàng ở Thụy Sĩ, gia nhập Fairchild ở tuổi 32, đồng thời là một nhà leo núi và một nhà tư tưởng tận tụy.

Phát minh của ông ngay lập tức thay đổi toàn bộ cách chế tạo transistor. Trước đó, quá trình sản xuất chúng về bản chất là một quá trình cơ khí. Các rãnh tí hon được khắc lên đĩa silicon, các dây dẫn bằng nhôm được đặt vào các rãnh, tạo ra địa hình mesa (núi mặt bàn) (vì thế mà sản phẩm của Fairchild được gọi là transistor mesa). Các đĩa silicon sau đó được bọc trong các hộp kim loại với dây dẫn đi ra từ ba cực.

Các transistor thời bấy giờ vẫn là vật thể có phần cồng kềnh, thô thiển. Trong khi ấy, sau khi Sputnik được phóng lên quỹ đạo, ngành công nghiệp vũ trụ của Hoa Kỳ có nhu cầu cấp thiết về thiết bị điện tử vừa siêu nhỏ vừa ổn định và có chi phí thấp. Các transistor mesa của Fairchild không được ổn định lắm: các hạt nhựa, vảy hàn, hoặc bụi thường xuyên vương lại sau công đoạn khắc, di chuyển trong vỏ kim loại và khiến hoạt động của transistor trở nên thất thường, thậm chí ngừng hẳn. Cần có một transistor mới, nhỏ và không có khiếm khuyết trong vận hành.

Jean Hoerni, một người đơn độc, khắc khổ và tính khí thất thường, đề xuất dùng lớp mạ ôxít silicon bên trên một tinh thể silicon tinh khiết để làm chất cách điện, một phần quan trọng trong transistor, và bỏ các rãnh và ụ (mesa) để giảm thể tích. Ông quả quyết transistor chế tạo theo cách này sẽ nhỏ hơn và ổn định hơn transistor mesa nhiều. Để chứng minh, ông đã nhờ một kỹ thuật viên làm một nguyên mẫu kích thước to không quá một dấu chấm, đường kính tầm 1 mm, và còn nhổ nước bọt vào nó để cho thấy nó vẫn hoạt động bất kể đủ kiểu quấy phá. Đúng là nó hoạt động hoàn hảo: một transistor tí hon, hoạt động tốt, và có vẻ không thể phá hủy – hay ít nhất là có thể chống chịu mọi tác động của con người. Hơn nữa, nó còn có chi phí thấp, do đó ngay lập tức trở thành sản phẩm chủ đạo của Fairchild.

Nhưng đây chỉ là một trong hai sản phẩm mang tính cách mạng của Fairchild. Sản phẩm còn lại sinh ra từ một ý tưởng vẽ trên bốn trang giấy trong một cuốn sổ ghi chép[∗], bởi một thành viên “tị nạn” khác từ Shockley tên là Robert Noyce. Sáng kiến của ông như sau: với transistor phẳng sắp được hiện thực hóa, liệu chúng ta có thể tạo ra phiên bản phẳng của các cấu phần khác trong mạch điện (điện trở, tụ điện, bộ dao động, đi-ốt, vân vân) và đưa chúng lên bề mặt ôxít silicon bao phủ đĩa silicon không? Và như vậy phải chăng chúng ta đã có một mạch điện tích hợp?

Và nếu tất cả các cấu phần đều được thu nhỏ thành tí hon và quan trọng nhất là được làm phẳng, chẳng phải chúng ta có thể in mạch điện đó lên đĩa silicon tương tự như in ảnh, dựa trên các nguyên tắc của việc phóng ảnh hay sao?

Nguyên tắc của việc phóng ảnh trong phòng tối chính là cơ sở cho ý tưởng trên. Máy phóng ảnh nhận một hình ảnh âm bản trên một mảnh xenluloit tí hon (ví dụ như một tấm phim 35 mm từ máy ảnh) và dùng thấu kính để tạo ra một phiên bản lớn hơn của hình ảnh, hoặc để chỉnh sửa một phần của hình ảnh, và in nó lên giấy nhạy sáng. Noyce viết trong sổ rằng nguyên tắc này có thể sử dụng theo chiều ngược lại. Người thiết kế có thể vẽ sơ đồ mạch điện tích hợp lên một môi trường trong suốt, sau đó dùng một thiết bị tương tự như máy phóng ảnh nhưng với thấu kính không phóng đại mà thu nhỏ hình ảnh để in mạch điện lên bề mặt ôxít silicon của đĩa silicon.

Một thiết bị có khả năng làm vậy, gọi là máy in li-tô, đã có sẵn trên thị trường. Cùng thời gian này, các nhà in dập nổi bắt đầu chuyển sang sử dụng đĩa polime với cùng một nguyên tắc. Thay vì sử dụng các chữ cái bằng chì và lắp ráp bằng tay, nhà in chỉ cần đánh máy trang cần in, đưa trang đó vào máy in ảnh li-tô, và nhận lại chính trang đó in trên một tờ polyme dẻo. Các chữ cái và những ký tự khác giờ đây được in nổi trên mặt đĩa polyme và sẵn sàng để được dập lên tờ in, ví dụ bằng một bàn in phẳng, tạo cảm giác cổ điển cho tờ in tương tự như in dập thủ công. Tạo sao chúng ta không cải tạo một cái máy in ảnh như vậy để in mạch điện thay vì chữ nghĩa, để in lên đĩa silicon thay vì polyme hay giấy?

Để hiện thực hóa ý tưởng này hóa ra không đơn giản chút nào – các hình ảnh được in có kích thước cực nhỏ nên mọi công đoạn đều phải được thực hiện với độ chính xác cao nhất và dung sai nghiêm ngặt nhất, và các sản phẩm đầu tiên đều có khiếm khuyết. Tuy nhiên, vào đầu những năm 1960, sau hàng tháng mày mò, Robert Noyce, Gordon Moore và các cộng sự của Moore ở Fairchild cuối cùng đã thành công – với thành phẩm là các mạch phẳng, thể tích nhỏ, tiêu tốn ít điện năng, tỏa ít nhiệt, nằm trên một chất nền phẳng. Họ gọi chúng là mạch tích hợp.

Đây là một đột phá lớn. Lilienfeld là người đầu tiên nghĩ ra ý tưởng vào những năm 1920; Shockley và các cộng sự được giải Nobel ở Bell Labs đã đi những bước chập chững đầu tiên, sau đó, với phát minh của Hoerni về transistor phẳng cấu tạo từ các lớp phẳng thay vì các tinh thể riêng rẽ, mạch điện đã có thể được thu gọn, sẵn sàng cho ra sự ra đời của các thiết bị điện tử ngày càng nhỏ và nhanh.

Các transistor trong mạch kiểu mới có thể được bật và tắt liên tục trong thời gian cực ngắn bằng cách cấp các nguồn điện nhỏ. Những tạo tác silicon nhỏ nhắn này đánh dấu bước ngoặt trong lịch sử phát triển của máy tính, vốn thực hiện các tính toán nhị phân, trên hai trạng thái bật và tắt của transistor. Có càng nhiều transistor và transistor hoạt động càng nhanh, máy tính càng mạnh và chi phí hoạt động càng thấp. Vì thế, sự ra đời của mạch tích hợp là tiền đề cho sự ra đời của máy tính cá nhân – và của hàng chục, hàng trăm thiết bị khác, tất cả đều có trái tim là vi mạch tích hợp được những bộ óc thiên tài ở Fairchild phát minh ra.

Song tình hình tài chính của Fairchild lại vô cùng thảm hại, một phần vì các start-up khác, chẳng hạn như Texas Instruments[∗], có đủ tiền đầu tư hoặc được công ty mẹ bảo trợ để thâm nhập vào các thị trường mới nổi. Thất vọng với khả năng cạnh tranh của công ty, các nhà sáng lập Fairchild rời bỏ nó và một lần nữa thành lập công ty mới, chỉ chuyên thiết kế và sản xuất thiết bị bán dẫn. Công ty mới này, thành lập bởi Gordon Moore và Robert Noyce – họ được gọi là “fairchildren” – ra đời vào tháng 7 năm 1968 dưới cái tên Intel Corporation.

Trong vòng ba năm kể từ khi thành lập, bộ vi xử lý (máy tính trên một chip) thương mại đầu tiên được chính thức công bố. Đó là Intel 4004, con chip “bốn không không bốn” lừng danh. Minh chứng cho tầm mức chính xác mà loại công nghệ mới này đòi hỏi: bên trong trong bộ xử lý dài 1 inch là một khối silicon, rộng 12 mm, trên đó khắc một mạch tích hợp với không dưới 2.300 transistor. Năm 1947, một transistor có kích thước bằng bàn tay của một đứa trẻ. Năm 1971, 24 năm sau, các transistor trong bộ vi xử lý chỉ rộng 10 mi-cro-mét, 1/10 đường kính của một sợi tóc. Từ tay đến tóc. Nhỏ đến tí hon. Thế giới đang đứng trước ngưỡng cửa của một thay đổi sâu sắc.

Ban đầu, chip 4004 của Intel được sản xuất riêng cho Busicom, một hãng sản xuất thiết bị tính toán của Nhật, khi ấy đang gặp vấn đề tài chính và phải hạ chi phí sản xuất. Hãng quyết định đưa chip máy tính vào thiết bị tính toán của mình và tiếp cận Intel. Theo truyền thuyết của Intel, tại một phiên thảo luận trong một khách sạn ở thành phố cổ Nara của Nhật Bản, một phụ nữ không còn được nhớ tên đã thiết kế ra kiến trúc cơ bản bên trong của thiết bị tính toán. Theo thiết kế này, Intel, với khả năng thu nhỏ chip độc nhất vô nhị, sẽ chịu trách nhiệm cung cấp bộ xử lý.

Kết quả là một máy tính được công bố vào tháng 11 năm 1971, được quảng cáo là chiếc máy tính để bàn đầu tiên trên thế giới có bảng mạch tích hợp, một bộ vi xử lý có sức mạnh tương đương các máy tính ENIAC huyền thoại to ngang một căn phòng. Một năm sau, công ty yêu cầu Intel hạ giá xuống 25 đô-la một chip. Intel đồng ý, với điều kiện công ty có quyền đưa phát minh của mình ra bên ngoài thị trường, một điều kiện mà công ty của Nhật miễn cưỡng chấp thuận. Chip 4004 sau đó được đưa vào một máy pinball của Bally và theo lời đồn (sai) là được sử dụng trong tàu thăm dò vũ trụ Pioneer 10 của NASA. NASA đúng là đã tính đến việc sử dụng con chip này nhưng sau đó cho rằng nó quá mới. Pioneer 10, không có chip, được phóng lên không gian vào năm 1972 và lang thang trong Hệ Mặt trời 31 năm cho đến khi pin của nó bị hỏng vào năm 2003, con tàu khi đó đang ở cách Trái đất hơn 11 tỷ ki-lô-mét.

Danh tiếng của 4004 lan truyền và Intel quyết định chuyển hướng kinh doanh chủ đạo sang sản xuất vi xử lý, lấy kim chỉ nam là niềm tin của Gordon Moore (được công bố lần đầu năm 1965, sáu năm trước khi 4004 ra đời, và cho thấy tầm nhìn xa của tác giả) rằng mỗi năm kích thước của con chip phải giảm xuống một nửa và sức mạnh của nó phải được nhân đôi. Theo thời gian, tí hon đã biến thành hiển vi, rồi hạ hiển vi, rồi quy mô nguyên tử. Sau khi biết được cách thức vận hành của 4004 và các thách thức trong công tác thiết kế, Moore sửa lại dự đoán của mình từ một năm thành hai năm – một lời tiên tri liên tục tự ứng nghiệm kể từ năm 1971.

Chip máy tính bắt đầu phát triển theo cấp số mũ – với kích thước ngày càng nhỏ và độ chính xác ngày càng cao, hai ưu thế hàng đầu trong mắt tất cả các giám đốc tài chính của các hãng sản xuất chip, bao gồm Intel: chip càng nhỏ, chi phí sản xuất càng thấp. Và càng nhỏ thì hiệu suất càng lớn: transistor nhỏ hơn sẽ đòi hỏi ít điện năng hơn và hoạt động nhanh hơn, vì vậy có hiệu suất vận hành lớn hơn.

Chẳng có ngành công nghiệp nào thích sự nhỏ gọn (ví dụ như chế tác đồng hồ đeo tay) mà lại để nhỏ gọn đi đôi với rẻ tiền cả. Chỉ trừ ngành sản xuất vi xử lý. Một chiếc đồng hồ đeo tay mỏng hơn nhìn chung sẽ tốn chi phí sản xuất hơn. Trong khi đó, ngành sản xuất chip về bản chất có tính lũy thừa: tổng số transistor trên chip là bình phương số transistor theo mỗi chiều. Đặt 1.000 transistor lên trên cùng một hàng, bạn đã có một con chíp chứa 1 triệu transistor mà không tốn thêm chi phí nào đáng kể. Đây dường như là một chiến lược kinh doanh không có điểm yếu.

Kích thước chip thường được diễn tả bằng một khái niệm hơi khó hiểu là tiến trình, đại khái là khoảng cách giữa hai transistor lân cận, hoặc thời gian để xung điện truyền từ transistor này sang transistor khác. Phép đo bằng nốt xử lý cho phép các chuyên gia bán dẫn hình dung tốc độ và sức mạnh của bảng mạch một cách chân thực. Đối với người ngoài ngành, số lượng transistor trên đĩa silicon lại là khái niệm trực quan hơn, dù một số lượng đáng kể transistor trên chip có chức năng không liên quan gì tới hoạt động của chip.

Kích thước nốt giảm dần theo đúng dự đoán của Gordon Moore. Năm 1971, khoảng cách giữa các transistor trên Intel 4004 là 10 mi-cro-mét – nói cách khác, 2.300 transistor trên bo mạch cách nhau một khoảng to cỡ một giọt sương. Năm 1985, nốt trên chip Intel 80386 chỉ còn 1 mi-cro-mét, kích thước một vi khuẩn điển hình, và đa số chip có hơn một triệu transistor. Nhưng số transistor trên chip sẽ tiếp tục tăng trong khi nốt xử lý sẽ tiếp tục giảm. Các chip như Klamath năm 1995, Copermine năm 1999, Wolfdale, Clarkdale, Ivy Bridge và Broadwell ra đời trong 15 năm đầu tiên của thiên niên kỷ mới, là kết quả của một cuộc đua không hồi kết.

Với những chip gần nhất, các nốt không được tính bằng mi-cro-mét mà bằng na-no-mét, một phần ngàn mi-cro-mét và một phần tỷ của một mét. Khi họ chip Broadwell được tạo ra vào năm 2016, kích thước nốt giảm xuống chỉ còn mười bốn phần một tỷ của một mét (tương đương kích thước của những virus nhỏ nhất), một con số nằm ngoài sức tưởng tượng trong quá khứ, và mỗi đĩa silicon chứa không dưới 7 tỷ transistor. Tại thời điểm cuốn sách này được viết, chip Skylake của Intel có kích thước transistor còn chưa đến một phần sáu mươi bước sóng ánh sáng mà mắt người nhìn thấy, có thể gọi là vô hình theo nghĩa đen (transistor trên 4004 có thể dễ dàng thấy được qua kính hiển vi của trẻ em).

Tương lai sẽ tiếp tục đem đến những con số đáng kinh ngạc hơn, những kích thước nốt và transistor khó hình dung hơn – và vẫn tuân theo quy luật Moore đưa ra năm 1965. Ngành công nghiệp chip, với tuổi đời nửa thế kỷ, vì các động cơ kinh tế mà đang cố gắng hết sức để luật Moore tiếp tục ứng nghiệm, năm này qua năm khác. Một quản lý của Intel từng tự tin dự đoán số transistor trên một chip tạo ra vào năm 2020 sẽ vượt quá số nơ-ron thần kinh trong não người – cùng với các tác động không thể tính trước.

Những cỗ máy khổng lồ, bao gồm 15 máy được đưa từ Amsterdam tới Chandler fab của Intel năm 2018, là công cụ biến mục tiêu trên thành hiện thực. Nhà sản xuất ASML – tên gốc là Advanced Semiconductor Materials International (Các vật liệu bán dẫn tiên tiến quốc tế) – được thành lập năm 1984, là công ty con của Philips, một công ty Hà Lan nổi tiếng trong quá khứ với các sản phẩm như dao cạo râu và bóng đèn điện. Công nghệ ánh sáng của Philips đóng vai trò quan trọng vì các máy công cụ mà công ty sản xuất trong những ngày đầu của mạch tích hợp đã sử dụng những chùm sáng cường độ cao để khắc các vết hóa chất nhạy sáng lên chip. Về sau, laze và các nguồn cường độ cao khác được sử dụng trên các con chip kích cỡ ngày càng tí hon.

Biểu đồ thể hiện quá trình phát triển từ Intel 4004 tới SkyLake

Bắt đầu từ mạch tích hợp Intel 4004, nhồi 2.300 transistor trên một đĩa silicon rộng 12mm, cho tới những con chip ngày nay với ít nhất 10 tỷ transistor rời rạc trên một đĩa silicon còn nhỏ hơn, biểu đồ này cho thấy sự ứng nghiệm của luật Moore (bản quyền hình ảnh thuộc MaxRoser/Creative Commons BY-SA-2.0)

QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT một chip vi xử lý kéo dài ba tháng, bắt đầu từ một khối silicon nung chảy hình trụ nặng 200kg. Khối này sau đó được cắt bằng cưa dây thành các đĩa to cỡ đĩa ăn với độ dày 2/3mm. Bề mặt đĩa được đánh bóng bằng hóa chất, rồi được nạp vào máy ASML, ở đó bắt đầu một quá trình dài dằng dặc cho ra đời một chip máy tính.

Mỗi đĩa sẽ được cắt theo dạng lưới, tạo ra 1.000 khối con đồng nhất, mỗi khối trong số đó sẽ mang hàng tỷ transistor và trở thành trái tim của mọi máy tính, điện thoại di động, thiết bị trò chơi, hệ thống định vị, máy tính bỏ túi trên Trái đất, và mọi vệ tinh, tàu vũ trụ trên không gian. Các thao tác diễn ra trước khi chip được cắt từ đĩa được thực hiện ở quy mô nhỏ không tưởng. Sơ đồ mảng transistor được vẽ hết sức tỉ mỉ lên một mặt nạ thạch anh nung chảy trong suốt, sau đó laze bắn xuyên qua các mặt nạ này, đi qua một loạt thấu kính và phản chiếu trên một loạt gương, để rồi cuối cùng in sơ đồ đó, ở kích thước thu nhỏ đáng kể, lên một điểm trên đĩa. Cứ như vậy, sơ đồ này được tái tạo ở các điểm khác trên mặt đĩa, mỗi điểm tương ứng với một chip.

Sau đợt bắn laze đầu tiên, đĩa silicon được tháo ra, rửa sạch và phơi khô, sau đó lại được đưa vào máy, và được in lên một sơ đồ khác. Công đoạn này lặp lại cho đến khi 30, 40, thậm chí 60 sơ đồ cực nhỏ được in chồng lên nhau (mỗi lớp và mỗi phần trong một lớp tương ứng với một mảng mạch phức tạp). Khi công đoạn in đã hoàn tất và đĩa silicon, sau nhiều lần in laze, được rửa, phơi khô, hầu như không dày hơn chút nào so với ban đầu, cho thấy sự vi tế trong các thao tác của máy.

Mọi thứ phải được giữ sạch sẽ tuyệt đối. Hãy tưởng tượng chuyện gì sẽ xảy ra nếu một hạt bụi tí hon đậu vào bên trên mặt nạ thạch anh. Tuy hạt bụi này nhỏ hơn bước sóng ánh sáng nhìn thấy và vô hình đối với mắt người, bóng của nó, qua các thấu kính và gương, sẽ tạo ra một đốm tối lớn trên đĩa silicon, làm hỏng hàng trăm con chip và hao tổn hàng nghìn đô-la. Đó là lý do vì sao mọi công đoạn bên trong ASML đều được thực hiện trong các buồng sạch sẽ hơn thế giới bên ngoài gấp hàng ngàn lần.

Có các tiêu chuẩn quốc tế về phòng sạch dành cho sản xuất, và tuy các phòng sạch ở Trung tâm Phi hành Không gian Goddard, nơi NASA lắp ráp Kính viễn vọng Không gian James Webb, được coi là sạch, chúng chỉ đạt ISO 7, tức là có không quá 352.000 hạt kích thước 0,5 mi-cro-mét trong mỗi mét khối không khí. Các phòng trong nhà máy ASML ở Hà Lan sạch hơn thế nhiều, thỏa mãn tới tiêu chuẩn ISO 1, cho phép không quá mười hạt kích cỡ 0,1 mi-cro-mét trong mỗi mét khối không khí, và không cho phép tồn tại hạt kích cỡ lớn hơn. Độ sạch trên lớn hơn độ sạch của môi trường sống bình thường 5 triệu lần. Điều đó cho thấy thách thức của việc sản xuất mạch tích hợp hiện đại, với những môi trường sản xuất gần như siêu thực.

Với các thiết bị in li-tô mới nhất, chúng ta có thể tạo ra các con chip chứa đến 7 tỷ transistor trên một bo mạch, 100 triệu transistor trên 1mm. Nhưng những con số như thế cũng hàm chứa một cảnh báo. Chắc chắn chúng ta đang gần chạm tới giới hạn. Con tàu rời bến năm 1971 có lẽ sắp dừng lại, sau hành trình nửa thế kỷ huy hoàng. Giới hạn tuyệt đối ngày càng có khả năng cao trở thành hiện thực, một phần vì khoảng cách giữa các transistor đang nhanh chóng tiệm cận đường kính nguyên tử. Trong những không gian nhỏ như thế, các thuộc tính của trạng thái một transistor (điện, điện tử, nguyên tử, quang tử, lượng tử) sẽ tác động đến một transistor khác. Nói cách khác, mạch sẽ bị chập, và tuy không tạo ra tia lửa điện hay cháy nổ nhưng tác động gây ra đối với ngành sản xuất chip vẫn rất lớn.

Đó là lời cảnh báo. Nhưng những người quả quyết rằng thế giới sẽ tốt đẹp hơn nếu luật Moore được tuân theo sẽ lại lẩm nhẩm câu thần chú quen thuộc: “Chỉ một lần nữa. Một lần nữa thôi.” Một lần nữa nhân đôi sức mạnh, một lần nữa cắt đôi kích thước. Bất khả thi là từ cấm kỵ đối với ngành sản xuất chip, không được nói ra, nếu nói ra cũng không được lắng nghe, nếu được nghe thấy cũng không được chú ý. Các giới hạn mà hiện thực mới mang đến mâu thuẫn với tôn chỉ mà thế giới máy tính đã tuân theo từ hàng chục năm nay, và những tín đồ của thế giới ấy từ chối công nhận rằng sẽ đến lúc tham vọng của họ nằm ngoài tầm với của họ.

Gương chính của Kính viễn vọng Không gian James Webb. Với đường kính hơn 7,3 m và đặt cách Trái đất nhiều triệu cây số, nó sẽ giúp tăng cường đáng kể khả năng nghiên cứu những vùng xa xôi thậm chí đến tận rìa của vũ trụ, và các hiện tượng xảy ra khi vũ trụ mới hình thành. Kính viễn vọng Không gian James Webb dự tính sẽ được phóng vào năm 2019

Các nhà sản xuất máy sản xuất chip (đặc biệt là các công ty Hà Lan đã đổ hàng tỷ đô-la đầu tư vào ngành này và rất cần thành công được tiếp diễn để bảo toàn vốn của họ) đang tìm mọi cách để thỏa mãn yêu cầu của khách hàng, những yêu cầu mà theo một số quan điểm là giấc mơ hoang đường. Các thiết bị thế hệ mới của họ có vẻ có thể giúp các hãng sản xuất chip thu nhỏ kích thước hơn cái ngưỡng mà trước đây được coi là khả thi và khôn ngoan.

Các máy mới không còn sử dụng laze ánh sáng khả kiến nữa, mà sử dụng bức xạ tử ngoại cực xa (EUV), có bước sóng 13,5 phần tỷ của một mét, cho phép tạo ra về lý thuyết các transistor có kích thước nguyên tử, một tầm mức chính xác siêu hiển vi, đồng thời vẫn phải duy trì ưu thế thương mại.

EUV không phải là thứ dễ điều khiển. Nó chỉ có thể truyền trong chân không. Không thể hội tụ nó bằng thấu kính hay phản chiếu bằng các gương thông thường. Thay cho gương, người ta phải dùng một thiết bị đa lớp rất đắt đỏ gọi là gương Bragg. Hơn nữa, cách tốt nhất để tạo ra bức xạ EUV là dùng plasma, tức là dạng khí của kim loại bị nóng chảy ở nhiệt độ cao, tạo ra bằng cách dùng laze cường độ cao bắn phá kim loại.

Một công ty Mỹ (sau đó được ASML mua lại) đã phát triển một phương thức độc đáo để tạo ra bức xạ EUV cần thiết. Có ý kiến cho rằng đây là một phương pháp gần như điên rồ, và không khó để hiểu tại sao.

Thiếc kim loại cực kỳ tinh khiết được nung chảy thành dung dịch nóng. Sau đó, những tia tí hon dung lượng 50.000 giọt mỗi giây của dung dịch này được phun vào một buồng chân không. Người ta bắn một tia laze vào các giọt này, làm chúng dẹp ra như bánh kếp và tăng diện tích bề mặt. Tia thứ hai, laze cacbon điôxít, có năng lượng cao hơn nhiều, sẽ biến mỗi giọt được làm phẳng thành một cụm plasma nhiệt độ cao phát xạ EUV. (Các giọt thiết bị bắn phá cũng tạo ra các giọt vụn và một luồng khí hydro được dùng để thổi đi những giọt vụn này tránh cho chúng đông đặc tại chỗ.)

Bức xạ EUV sinh ra trong môi trường như địa ngục trên sẽ đi qua các mặt nạ vẽ sơ đồ mạch tích hợp, phản chiếu trên các gương Bragg và đi theo tuyến đường hình bậc thang tới đĩa silicon. Tia EUV làm việc trên đĩa silicon theo dung sai cỡ một phần năm tỷ đến một phần bảy tỷ của một mét. Nếu không có vấn đề gì – và tại thời điểm viết sách, chưa có vấn đề nào được phát hiện – những con chip sản xuất theo cách này sẽ bắt đầu được tung ra thị trường kể từ năm 2018. Luật Moore, sau 53 năm, một lần nữa ứng nghiệm.

THẾ NHƯNG, một câu hỏi vẫn còn bỏ ngỏ: luật Moore còn tiếp tục ứng nghiệm đến khi nào? Máy EUV có thể cho phép thu nhỏ kích thước transistor trong vài năm nữa, nhưng sớm muộn chúng ta sẽ vấp phải hàng rào vật lý và cuộc chơi buộc phải dừng lại. Một transistor Skylake chỉ dày tương đương 100 nguyên tử, và tuy việc tắt và bật để tạo ra các con số 0 và 1 – huyết mạch của máy tính – vẫn được thực hiện bình thường, việc transistor chứa quá ít nguyên tử như thế khiến hoạt động của chúng gặp không ít thách thức. Đã có một vài phương án được đưa ra để khắc phục giới hạn và cho ra đời thêm một vài phiên bản chip “truyền thống”, chẳng hạn như chồng các con chip lên nhau và nối chúng với nhau bằng những dây điện cực nhỏ, cho phép tăng số lượng transistor trong bo mạch mà không cần giảm kích thước các transistor riêng lẻ.

Ngoài ra còn có các vật liệu thay thế, các kiến trúc thay thế. Người ta đang thảo luận về việc sử dụng graphene, một dạng cacbon đơn chất cấu tạo từ các màng đơn phân tử, để thay thế silicon, cũng như mô-líp-đen disulfua, phốtpho đen, và hợp chất phốtpho-bo, tất cả nhằm kéo dài khả năng thu nhỏ transistor. Máy tính lượng tử, hoạt động dựa trên các hiệu ứng kỳ lạ của cơ học lượng tử được Werner Heisenberg mô tả năm 1927, đang được coi là bước phát triển tiếp theo.

Nhưng ở quy mô này, việc đo lường trở nên lỏng lẻo, sự mơ hồ vượt qua sự chính xác, sự chính xác lạc vào thế giới nghịch lý, các giới hạn trở nên vô nghĩa, những con số tan biến thành một màn sương mù lượng tử – trừ những hằng số của định luật vật lý. Có lẽ quan trọng nhất là độ dài Planck, độ dài nhỏ nhất mà tại đó những khái niệm vật lý cổ điển về không-thời gian còn áp dụng được. Dưới nó, khái niệm kích thước trở nên vô nghĩa.

Độ dài Planck có một giá trị cụ thể, hoặc chí ít là nó có giá trị nếu bạn tin hai hằng số cơ bản của vũ trụ – vận tốc ánh sáng và hằng số trọng lực của Newton – là những hằng số bất biến. Độ dài Planck có giá trị bằng 0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 016 229 (38) mét, tức là nhỏ hơn đường kính của một nguyên tử hydro khoảng mười mũ hai mươi lần. Từ đây, chúng ta có thể tính được khoảng thời gian cần thiết để photon di chuyển một quãng đường bằng độ dài Planck là: 5,39x10-44 giây.

Tại giới hạn này, chính xác bắt đầu trở nên nhập nhằng. Việc đi xuống không ngừng không khả thi. Tuy các trung tâm đo lường và phòng thí nghiệm quốc gia đang nghiên cứu một số kỹ thuật để thâm nhập vào các giới hạn nguyên tử – ví dụ kỹ thuật ép ánh sáng cho phép thực hiện một số đo lường thực tế (chứ không phải tính toán, như việc tính toán hai con số rất nhỏ ở trên) ở các chiều kích của cấp độ hạ nguyên tử – tất cả các nhà khoa học đều thừa nhận có một giới hạn vật lý mà chúng ta không thể đo lường hay chế tạo bất kỳ thứ gì nhỏ hơn giới hạn này.

TUY CHÚNG TA đã bắt đầu tiếp cận các giới hạn không thể vượt qua ở quy mô nguyên tử, vẫn còn nhiều cơ hội ở thái cực còn lại, nơi việc chế tạo các dụng cụ và thiết bị chính xác vẫn còn đem lại nhiều lợi ích, chẳng hạn như để khám phá những vùng không gian xa xôi bằng kính viễn vọng như Kính viễn vọng Không gian James Webb, hoặc để trả lời các câu hỏi lớn về vũ trụ lâu nay vẫn ám ảnh nhân loại.

Đó là lý do các giới hạn chính xác nhất của công nghệ chính xác đang được thử nghiệm chế tạo các dụng cụ khổng lồ trong các khu LIGO bang Washington và Louisiana, cũng như ở vùng đồng bằng phía tây Ấn Độ. LIGO nằm ở thái cực bên kia về quy mô so với vi mạch tích hợp, với kích thước hàng ki-lô-mét thay vì hàng na-no-mét, nhưng cũng đòi hỏi sự chính xác không kém cạnh. Điều này được minh họa rõ rệt tại tiền đồn cô quạnh của LIGO, nơi các nhà khoa học đang nghiền ngẫm những câu hỏi thâm căn cố đế nhất về vũ trụ của chúng ta.

HƠN MỘT THẾ KỶ TRƯỚC, Einstein đã phỏng đoán khả năng các sự kiện vũ trụ xa xôi có thể tạo ra các gợn sóng trong cấu trúc không-thời gian – ông gọi chúng là sóng hấp dẫn – và chúng sẽ thay đổi hình dạng của Trái đất khi đi ngang qua chúng ta. Các trung tâm LIGO được xây dựng để đo lường thay đổi siêu vi trong hình dạng thế giới, để tìm bằng chứng cho sự tồn tại của các sóng hấp dẫn.

Muốn kiểm chứng một thay đổi nhỏ như vậy trong hình dạng của hành tinh, các nhà khoa học cần một giao thoa kế khổng lồ và siêu nhạy. Đó là lý do vì sao năm 1991, LIGO, viết tắt của Lazer Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Đài quan trắc Sóng Hấp dẫn bằng Giao thoa kế Laze), ra đời (hay chính xác hơn là được phê duyệt ngân sách). Trong LIGO là các bộ phận có thể được coi là các tạo tác chính xác nhất trong lịch sử nhân loại. Điều đó cho thấy không chỉ các quan sát quy mô cận nguyên tử mà các quan sát ở quy mô thiên hà và lớn hơn cũng đòi hỏi sự chính xác ở mức độ cực đoan nhất.

Một giao thoa kế điển hình sử dụng một nguồn sáng đơn sắc ở cường độ cao và bước sóng xác định. Tia sáng được chiếu qua một thấu kính tới một gương bán mạ và bị tách làm hai tia. Hai tia ánh sáng đỏ đơn sắc này sau đó đi theo hai hướng vuông góc tới hai gương và bị phản xạ từ hai gương này về gương bán mạ, nhập vào nhau, chồng chập lên nhau, cuối cùng đi tới một máy dò.

Nếu hai tia sáng đi cùng một quãng đường, chúng sẽ cộng hưởng và tia sáng kết hợp sẽ có cường độ như tia sáng đi ra từ nguồn. Mặt khác, nếu hai tia sáng có quãng đường khác nhau, chúng sẽ giao thoa và triệt tiêu nhau, và các vân giao thoa sẽ cho người quan sát biết mức độ khác biệt trong quãng đường.

LIGO về cơ bản là một thí nghiệm sử dụng một cặp (trong tương lai gần có lẽ là một tổ hợp ba) giao thoa kế khổng lồ hoạt động theo nguyên tắc đơn giản nêu trên. Nếu bay ở độ cao 8km qua hoang mạc Washington hoặc những rừng rậm ở trung nam Louisiana và nhìn xuống, những người từng sử dụng giao thoa kế sẽ dễ dàng nhận diện bản chất giao thoa kế của LIGO: hai cánh tay dài tạo thành một góc 90 độ, tòa nhà nơi hai cánh tay gặp nhau là nơi đặt gương bán mạ, và các cấu trúc khác chứa nguồn laze, máy dò, và các thiết bị phân tích, đặt ở một miền thiên nhiên hoang vu không chịu tác động của con người, dù trên hoang mạc bụi bặm phía bắc hay giữa những tán sồi và mộc lan phía nam. Những đường thẳng băng của LIGO trông giống như những hình vẽ khổng lồ của cao nguyên Nasca và đối chọi với quang cảnh thiên nhiên xung quanh.

Mục tiêu của thí nghiệm LIGO là kiểm tra xem hai cánh tay nêu trên có thay đổi độ dài tương đối so với nhau không – nếu có, dù ở mức độ nhỏ nhất có thể tưởng tượng, có khả năng nguyên nhân chính là sóng hấp dẫn truyền qua Trái đất.

Đứng ở dưới mặt đất quan sát, chúng ta sẽ thấy trước mắt mình là các thiết bị khổng lồ, hai cánh tay (to như đường tàu điện ngầm, kéo dài tít tắp) gặp nhau trong một tổ hợp máy móc và thiết bị điện tử phức tạp đến hoa mắt. Tại đây, công nghệ sử dụng dầu máy và công nghệ sử dụng silicon cộng sinh với nhau một cách hoàn hảo. Máy bơm chân không bơm, nguồn laze chiếu laze, động cơ servo tạo ra những tinh chỉnh cực nhỏ, các máy tính trong phòng điều khiển làm việc suốt ngày đêm để phân tích dữ liệu truyền về từ máy dò trong lúc các tia sáng đi qua đi lại hàng trăm lần mỗi giây giữa các tấm gương. Một hy vọng le lói của những người làm việc ở đây là có một khoảnh khắc nào đó, hai ống mà chùm tia laze di chuyển bên trong sẽ thay đổi độ dài tương đối với nhau.

Và điều đó đã xảy ra vào thứ Năm ngày 14 tháng 9 năm 2015, khi các nhà khoa học lần đầu tiên quan sát được hiện tượng mà Einstein đã dự đoán từ hơn một thế kỷ trước. Các máy tính trong buồng điều khiển Livingston phát hiện một bất thường, một thay đổi rất nhỏ trong tín hiệu, vào 05:51 sáng hôm ấy, nửa tiếng trước khi mặt trời ló rạng ở Louisiana, và khi những con cá sấu đầm lầy vẫn còn say giấc. Các nhà quan sát ở Louisiana có lẽ lúc ấy đang mệt mỏi và buồn ngủ, nhưng những thành viên khác trong mạng lưới toàn cầu có tên là Hợp tác Khoa học LIGO, ở những múi giờ tỉnh táo hơn, cũng nhận được thông báo. Thời gian ở Hanford, Washington, là 03:51, giữa đêm khuya, nhưng ở Leibnitz là 12:51; ở Delhi là 17:21; ở Tokyo là 20:51; và ở Đại học Monash, Melbourne là 22:51.

Phát hiện này cũng đến với những ngóc ngách khác của thế giới khoa học. Một mức tăng đột ngột trong tín hiệu được quan sát ở Livingston và lặp lại ở các máy dò của Hanford. Không phải máy dò nào cũng được bật lên: các đài quan sát này đang được chạy kỹ thuật, trong đó các bộ phận sẽ được kiểm tra tỉ mỉ trong nhiều tháng liền về độ trung thực và chính xác. Bình thường – dù trong thế giới của sóng hấp dẫn, không có mấy thứ có thể coi là “bình thường” – các nhà khoa học chỉ theo dõi các đợt chạy quan trắc. Thế nhưng, tất cả các đợt chạy quan trắc trong vòng 13 năm trở lại đây đều không mang lại kết quả – LIGO đầu tiên được xây dựng vào cuối những năm 1990 và bắt đầu quan sát sóng hấp dẫn từ năm 2002 – và với hàng trăm triệu đô-la tiền thuế của người dân đổ vào dự án mà chẳng có gì để khoe, dễ hiểu khi những người điều hành LIGO đang hết sức mong ngóng một kết quả.

Thế nên, sau khi nhận được thông báo đầu tiên từ người quan sát ở Pasadena vào nửa đêm giờ địa phương với tiêu đề “Một sự kiện rất đáng chú ý trong đợt chạy kĩ thuật 8,” cộng đồng LIGO nhao nhao dấy lên nghi vấn.

Góc nhìn trên cao của Đài quan trắc sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế laze (LIGO) ở Hanford

Có hai đài quan trắc LIGO ở Mỹ, một ở Louisiana và trên hình là đài quan trắc nằm tại hoang mạc miền trung Bang Washington, nhìn từ trên cao. Đài thứ ba đang được xây dựng tại một miền khô hạn thuộc Tây Ấn Độ

Không thể nào, họ nói. Thiết bị đang được kiểm tra, đương nhiên sẽ có lúc máy móc cho dữ liệu không đúng. Vả lại, một phần trong quy trình hoạt động của LIGO là việc cố ý “tiêm” dữ liệu sai vào hệ thống để giữ cho các nhà vật lý thiên văn luôn cảnh giác cao độ và không hấp tấp tin vào mọi thứ nhận được từ máy móc.

Nhiều ngày, nhiều tuần, rồi nhiều tháng trôi qua, các nhà quan sát trên trên toàn cầu nhận được câu hỏi: Anh/chị có tiêm dữ liệu sai vào hệ thống không? Tất cả đều trả lời không. Và khi dữ liệu từ hai đài quan trắc cũng như từ các trạm nhỏ hơn được mổ xẻ, soi xét dưới con mắt của các chuyên gia phân tích và các nhà khoa học ngày một lão luyện, sự ngờ vực dần tan biến. Kết quả được đăng trên tạp chí Physical Review Letters, sau đó công bố trong một buổi họp báo chật kín phóng viên ở Washington, DC vào ngày 11 tháng 2 năm 2016, một công bố làm rung chuyển giới khoa học và thu hút sự chú ý của cả công chúng không chuyên.

Sau màn giới thiệu nhã nhặn của giám đốc Quỹ Khoa học Quốc gia (là đơn vị chấp nhận một loạt rủi ro tài chính lớn khi cam kết 1,1 tỷ đô-la tài trợ trong 4 năm kể từ khi dự án được khởi động), đến phiên giám đốc LIGO thời điểm ấy, David Reitze từ Caltech, đứng bên cạnh là người đồng nghiệp, nhà vật lý thiên văn Kip Thorne, đưa ra tuyên bố chính thức: bằng các phương tiện đo lường chính xác nhất từng được chế tạo, sóng hấp dẫn đã được phát hiện, hay đúng hơn là sự tồn tại của chúng đã được suy ra từ các tính toán.

“Chúng ta đã thành công,” ông nói, và cả khán phòng vỡ òa trong tràng pháo tay. Một kỷ nguyên mới của thiên văn học đã được mở ra, một phương thức mới để khám phá những bí ẩn kỳ diệu của vũ trụ. Hơn nữa, đây cũng là một kỷ nguyên của hòa bình. Ai đó ví thời điểm ấy như khi Galileo lần đầu tiên nhìn qua kính viễn vọng 400 năm trước. Người ta khóc vì tự hào và vui sướng.

CÙNG NHÌN VÀO MỘT BÊN là những cỗ máy ASML nặng 160 tấn của Hà Lan, cho phép đặt 7 tỷ transistor vào một đĩa silicon có kích thước không quá một cái móng tay, và bên kia là những cỗ máy LIGO to như một ga tàu dùng để dò tìm thứ mà một tác giả ví von là “lời thì thầm của lực hấp dẫn”, chúng ta không khỏi nhận ra một sự tương phản thú vị.

Cả hai cỗ máy này đều được chế tạo để làm việc ở những quy mô vi tế nhất, với những tín hiệu mờ nhạt nhất, nhưng đồng thời chính bản thân chúng lại là những tạo tác kỳ vĩ, vượt trội về kích thước so với những cỗ máy con người tạo ra trong quá khứ – những cỗ máy ở thời kỳ non trẻ của công nghệ chính xác, làm việc với hơi nước, sắt thép, máy tiện, định vít, bánh điều tốc ly tâm, bánh đà, không ngừng tỏa ra sức nóng, tiếng ồn, không ngừng rung lắc. Nếu trước đây, trong công nghệ chính xác các cỗ máy nhỏ được dùng để tạo ra những thứ to lớn, giờ đây những cỗ máy to lớn lại được dùng để tạo ra hay dò tìm những thứ tí hon.

CÒN CÓ MỘT SỰ TRÙNG HỢP SÂU KÍN HƠN.

Thiết bị đầu tiên có thể được coi là “chính xác” là một chiếc xi lanh, được đúc từ một khối kim loại đặc trong xưởng sắt Cumberland năm 1776, một cấu phần trong động cơ hơi nước của James Watt, đánh dấu sự khởi đầu của cuộc Cách mạng Công nghiệp. Ngày nay, cấu phần trung tâm của thứ mà giám đốc LIGO David Reitze mô tả là “phương tiện đo lường chính xác nhất từng được chế tạo” cũng là một khối trụ. Không giống với xi lanh của Wilkinson, đây là một khối trụ đặc, nặng 40 kg, được gọi là “trọng vật”, làm từ silica nung chảy có khả năng phản xạ tất cả 3,3 triệu photon đi tới nó trừ một photon duy nhất. Silica được gia công, quấn và đánh bóng tới độ phẳng hoàn hảo. Nó được treo trong một cái nôi bởi một mạng lưới sợi silica dày 400 mi-cro-mét, cân bằng bởi một tổ hợp các quả cân thủy tinh và kim loại, các nam châm và cuộn dây nhằm kiểm thử nó. Một tia laze sẽ chiếu vào nó 280 lần trong khoảng thời gian chưa đến một giây, cho phép các nhà khoa học đo chiều dài của đường ống nối từ nó đến trung tâm và xác định liệu sóng hấp dẫn có truyền qua hay không – một hiện tượng đã được phát hiện tổng cộng bốn lần cho tới thời điểm hiện tại.

Trọng vật của LIGO

“Trọng vật” làm từ silica nung chảy chính xác của LIGO (về cơ bản là một gương phản xạ siêu chính xác đặt bên trong một hệ thống giảm chấn phức tạp) có chức năng phản xạ lại các chùm sáng laze cường độ cao bắn tới qua một đường hầm thuần chân không dài 4 km. Hệ thống này có thể phát hiện những thay đổi hiển vị trong chiều dài của đường hầm và chứng thực sự tồn tại của sóng hấp dẫn. Ở thời điểm viết sách, LIGO đã chứng minh sự tồn tại của bốn sóng hấp dẫn như vậy (bản quyền hình ảnh thuộc Caltech/MIT/Phòng thí nghiệm LIGO)

Xilanh của John Wilkinson được đặt vừa vặn bên trong động cơ hơi nước của James Watt ở độ chính xác bằng độ dày của một đồng Shilling Anh cổ, khoảng hơn 2 mm. Ở thời điểm ấy, độ chính xác này là chưa từng có tiền lệ. Nhưng kể từ đó, công nghệ chính xác chỉ có tiến lên và tiến lên hơn nữa.

Hai thế kỷ rưỡi sau, các kỹ sư của LIGO cũng chế tạo trong vật có kích thước hình trụ. Vật liệu họ dùng là silica nung chảy – về cơ bản là dạng nguyên chất của cát, một hợp chất cơ bản chẳng kém gì sát trong xi lanh của Wilkinson cả về nghĩa đen và nghĩa bóng.

Các trọng vật trong những thiết bị LIGO tại bang Washington và Louisiana chính xác đến nỗi quãng đường đi của tia sáng do chúng phản xạ có thể đo tới dung sai 1/10.000 đường kính của một proton. Chúng còn có thể giúp tính toán ở mức chính xác cao khoảng cách giữa Trái Đất và ngôi sao Alpha Centauri A gần nó cách Trái đất 4,3 năm ánh sáng.

4,3 năm ánh sáng tương đương gần 40,7 nghìn tỷ ki-lô-mét, hay 40.700.000.000.000 km. Ngày nay, chúng ta biết chắc chắn rằng các trọng vật của LIGO có thể giúp đo khoảng cách ấy mà không sai lệch quá chiều rộng của một sợi tóc người.

Chính xác như thế đấy.