Chip tương lai có thể được “viết lại” bằng ánh sáng: Chất bán dẫn mới hoạt động như tờ giấy có thể xóa
Nhóm Princeton phát triển chất bán dẫn 2D kết hợp phân tử nhạy sáng có thể điều chỉnh, xóa và lập trình lại tính điện – quang bằng các bước sóng khác nhau, mở hướng cho điện tử tái cấu hình sau khi chế tạo.
Một con chip thông thường gần như được “đóng đinh” chức năng ngay từ khi rời dây chuyền chế tạo. Cấu trúc transistor, vùng dẫn điện và cách các linh kiện phản ứng với tín hiệu đã được xác định bằng những bước quang khắc và pha tạp rất chính xác. Nhưng một nghiên cứu mới từ Đại học Princeton gợi ra một hướng khác: vật liệu bán dẫn có thể được lập trình, xóa và lập trình lại bằng ánh sáng sau khi đã được tạo ra.
Ý tưởng này khiến vật liệu hoạt động giống một “tờ giấy có thể xóa” ở cấp độ điện tử. Thay vì viết chữ bằng mực, các nhà nghiên cứu dùng ánh sáng để thay đổi mật độ hạt tải điện và đặc tính quang học của lớp bán dẫn siêu mỏng. Khi chiếu bước sóng khác, trạng thái trước có thể được đảo ngược rồi viết lại.
Nghiên cứu do Jaehoon Ji, Saien Xie và các cộng sự tại Princeton thực hiện, được công bố trên Science Advances ngày 1/7/2026. Princeton giới thiệu kết quả vào ngày 24/8/2026 như một bước tiến hướng tới cảm biến, thiết bị quang điện tử và phần cứng tính toán có khả năng tự tái cấu hình sau chế tạo.
“Viết lại chip” ở đây thực sự có nghĩa gì?
Cần phân biệt giữa hai ý tưởng dễ bị trộn lẫn. Nghiên cứu chưa tạo ra một CPU hoàn chỉnh có thể đổi kiến trúc chỉ bằng cách chiếu đèn. Thứ nhóm Princeton tạo ra là một nền tảng vật liệu bán dẫn 2D có đặc tính điện và quang có thể lập trình thuận nghịch bằng ánh sáng.
Nói cách khác, thay vì chức năng điện tử bị cố định hoàn toàn sau quy trình chế tạo, một số đặc tính của vật liệu có thể tiếp tục được điều chỉnh. Đây là nền tảng cần thiết nếu muốn xây các mạch điện tử tái cấu hình ở cấp độ vật liệu trong tương lai.
Nhóm nghiên cứu đã tạo các mảng transistor thử nghiệm trên diện tích lớn và chứng minh sự điều biến lặp lại, nhưng bước tiếp theo vẫn là kết nối những phần tử này thành các mạch chức năng phức tạp hơn.
Lớp bán dẫn chỉ dày cỡ nguyên tử
Nền tảng mới sử dụng hai loại vật liệu bán dẫn hai chiều thuộc họ transition metal dichalcogenide: WS2 và WSe2. Chúng được tạo ở dạng đơn lớp, tức lớp vật liệu chỉ mỏng ở quy mô nguyên tử.
Độ mỏng này là chìa khóa. Trong vật liệu khối thông thường, thay đổi điện tích hoặc điện trường ở bề mặt không phải lúc nào cũng ảnh hưởng mạnh tới toàn bộ vật liệu. Với một lớp bán dẫn chỉ dày khoảng một lớp nguyên tử, gần như toàn bộ kênh dẫn đều nằm sát bề mặt và trở nên cực kỳ nhạy với môi trường điện tích xung quanh.
Nhóm Princeton tận dụng đặc điểm đó bằng cách phủ lên WS2 và WSe2 một lớp phân tử azobenzene, viết tắt là Azo, có khả năng đổi cấu trúc khi hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng khác nhau.
Azobenzene đóng vai trò như một “cổng điều khiển bằng ánh sáng”
Azobenzene có thể tồn tại ở hai cấu hình phân tử chính là trans và cis. Khi chiếu ánh sáng tử ngoại gần khoảng 365 nm, phân tử chuyển từ trạng thái trans sang cis. Khi chiếu ánh sáng xanh khoảng 450 nm, quá trình có thể đảo ngược.
Sự thay đổi hình dạng này đồng thời làm thay đổi mômen lưỡng cực điện của lớp phân tử. Lưỡng cực ở bề mặt hoạt động tương tự một “cổng quang học”: nó làm thay đổi phân bố điện tích trong lớp bán dẫn 2D nằm bên dưới.
Nhờ vậy, các nhà nghiên cứu có thể điều chỉnh mật độ electron hoặc lỗ trống mà không cần thay đổi vĩnh viễn cấu trúc hóa học của lớp bán dẫn. Theo bài báo, mức điều biến mật độ hạt tải đạt khoảng 2,5 × 1012 cm−2 trên các thiết bị thử nghiệm.
Không chỉ bật và tắt: vật liệu có thể được chỉnh theo nhiều mức
Một điểm đáng chú ý là hệ thống không chỉ hoạt động như công tắc nhị phân 0 hoặc 1. Cường độ và trạng thái quang điện tử có thể được thay đổi theo nhiều mức rồi đảo ngược.
Điều này quan trọng vì nhiều hệ thống điện tử tương lai không nhất thiết chỉ cần hai trạng thái. Điện toán neuromorphic, cảm biến thích nghi và các bộ xử lý tái cấu hình có thể hưởng lợi từ những phần tử có khả năng điều chỉnh liên tục hoặc ghi nhớ nhiều mức trạng thái khác nhau.
Jaehoon Ji mô tả mục tiêu không phải chỉ chuyển trực tiếp từ “0” sang “1”, mà là có thể thay đổi dần phản ứng của vật liệu rồi đảo ngược quá trình khi cần.
Có thể “vẽ” đặc tính điện tử bằng ánh sáng
Vì ánh sáng có thể được chiếu chọn lọc lên từng vùng, nhóm nghiên cứu còn chứng minh khả năng tạo các mẫu không gian khác nhau trên cùng một tấm vật liệu. Trong thí nghiệm, họ tạo được các hình học có kích thước đặc trưng xuống khoảng 70 micromet.
Điểm đáng chú ý không phải hình ảnh nhìn thấy bằng mắt thường, mà là các khu vực khác nhau trên cùng một lớp bán dẫn có thể mang những đặc tính quang điện tử khác nhau tùy theo lịch sử chiếu sáng.
Về nguyên lý, điều này giống việc “vẽ” một bản đồ chức năng lên vật liệu bằng ánh sáng. Khi không còn cần cấu hình đó, bản đồ có thể được xóa rồi tạo lại theo mẫu khác.
Từ mảnh vật liệu nhỏ tới quy mô centimet
Nhiều nghiên cứu trước về bán dẫn 2D kết hợp phân tử nhạy sáng mới chủ yếu được trình diễn trên những mảnh vật liệu bóc tách rất nhỏ hoặc một transistor đơn lẻ. Điều này đủ để chứng minh cơ chế vật lý nhưng còn xa yêu cầu sản xuất.
Nhóm Princeton tập trung vào bài toán mở rộng quy mô. Họ tích hợp lớp Azo với các màng WS2 và WSe2 kích thước centimet, được tổng hợp bằng metal-organic chemical vapor deposition.
Trong một thử nghiệm, nhóm chế tạo mảng 60 transistor và quan sát khả năng điều biến bằng ánh sáng tương đối đồng đều trên toàn mảng. Princeton cũng cho biết họ đã tạo được mẫu vật liệu đồng nhất cỡ một inch vuông và đang hướng tới việc kết nối các công tắc lập trình được thành mạch hoàn chỉnh.
Vì sao hướng này đáng chú ý với ngành chip?
Trong nhiều thập kỷ, ngành bán dẫn tăng hiệu năng chủ yếu bằng cách thu nhỏ transistor và nhồi nhiều linh kiện hơn vào cùng diện tích. Cách tiếp cận đó vẫn tiếp tục, nhưng chi phí và độ phức tạp tăng mạnh khi kích thước tiến gần các giới hạn vật lý và công nghệ.
Một hướng bổ sung là làm cho phần cứng trở nên linh hoạt hơn. Thay vì một cấu trúc chỉ thực hiện một chức năng cố định suốt vòng đời, vật liệu hoặc mạch có thể thay đổi hành vi theo nhiệm vụ.
Nếu một phần chức năng của chip có thể tái cấu hình trực tiếp ở cấp độ vật liệu, nhà thiết kế có thể hình dung những cảm biến tự tối ưu theo môi trường, phần cứng quang điện tử có thể đổi cách xử lý tín hiệu hoặc các bộ gia tốc chỉ kích hoạt cấu hình cần thiết tại từng thời điểm.
Đó là lý do nhóm nghiên cứu nhấn mạnh mục tiêu dài hạn là xây dựng thiết bị mà chức năng không còn bị cố định hoàn toàn trong quá trình chế tạo.
Có thể giúp giảm năng lượng ở đâu?
Một hệ thống điện tử truyền thống thường phải dùng điện áp cổng và các mạch điều khiển liên tục để giữ hoặc thay đổi trạng thái. Với vật liệu nhạy sáng có khả năng lưu trạng thái cấu hình, một số chức năng có thể được lập trình bằng xung ánh sáng rồi giữ lại mà không cần duy trì một tín hiệu điều khiển lớn liên tục.
Tuy nhiên, nghiên cứu hiện tại chưa chứng minh rằng một chip hoàn chỉnh dùng nền tảng này sẽ tiêu thụ ít điện hơn CPU hay accelerator thương mại. Lợi ích năng lượng vẫn là tiềm năng cần được đánh giá ở cấp mạch và hệ thống, không nên suy ra trực tiếp chỉ từ thí nghiệm vật liệu.
“Tờ giấy có thể xóa” vẫn còn cách xa CPU tái cấu hình
Phép so sánh với giấy có thể xóa giúp hình dung tính thuận nghịch của vật liệu, nhưng khoảng cách từ một lớp bán dẫn có thể lập trình quang học đến chip thương mại vẫn rất lớn.
Đầu tiên là độ phân giải. Kích thước mẫu quang học trong nghiên cứu hiện ở mức hàng chục micromet, lớn hơn rất nhiều so với kích thước đặc trưng của transistor logic hiện đại.
Thứ hai là tích hợp. Một chip cần hàng loạt lớp kim loại, điện môi, transistor, kết nối và hệ thống cấp nguồn hoạt động ổn định trong thời gian dài. Vật liệu mới phải chứng minh tương thích với quy trình chế tạo và đóng gói thực tế.
Thứ ba là độ bền chu kỳ và tính ổn định. Bất kỳ nền tảng tái cấu hình nào cũng cần giữ được trạng thái, đổi trạng thái lặp lại rất nhiều lần và không bị suy giảm đáng kể dưới nhiệt độ, ánh sáng môi trường hoặc thời gian sử dụng dài.
Cuối cùng là tốc độ và kiến trúc điều khiển. Để biến “viết bằng ánh sáng” thành một công nghệ chip, hệ thống phải có cách đưa ánh sáng tới đúng vùng với tốc độ, năng lượng và độ chính xác phù hợp.
Một hướng khác cho “chip có thể thay đổi sau khi sản xuất”
Ngày nay, FPGA đã cho phép người dùng tái cấu hình logic sau khi chế tạo, nhưng việc đó được thực hiện bằng mạng transistor và ô nhớ đã thiết kế sẵn. Nghiên cứu của Princeton đi theo một hướng khác: chính đặc tính của lớp vật liệu bán dẫn có thể được thay đổi bằng kích thích quang học.
Hai cách tiếp cận không loại trừ nhau. Trong tương lai, phần cứng tái cấu hình có thể kết hợp kiến trúc lập trình được ở cấp mạch với vật liệu có thể thay đổi ở cấp thiết bị, tạo thêm một tầng linh hoạt mới.
Điều quan trọng nhất không phải ánh sáng, mà là tính thích nghi
Điểm thú vị nhất của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc dùng tia UV hay ánh sáng xanh để thay đổi transistor. Nó nằm ở ý tưởng rộng hơn: vật liệu điện tử không nhất thiết phải bất biến sau khi sản xuất.
Các hệ sống liên tục cảm nhận môi trường và thay đổi hành vi. Nhóm Princeton muốn đưa một phần đặc tính đó vào vật liệu nhân tạo: thay vì một miếng bán dẫn chỉ làm đúng những gì được định trước trong nhà máy, nó có thể phản ứng với tín hiệu bên ngoài và chuyển sang trạng thái mới.
Nếu hướng nghiên cứu này tiếp tục mở rộng về độ phân giải, độ bền và tích hợp mạch, khái niệm “chip được lập trình khi sản xuất” có thể dần được bổ sung bằng một khái niệm mới: chip tiếp tục được cấu hình lại sau khi đã sản xuất.
Hiện tại, đó vẫn là một tầm nhìn nghiên cứu hơn là một sản phẩm thương mại. Nhưng việc nhóm Princeton đã đưa cơ chế này từ các mảnh vật liệu rất nhỏ lên màng 2D kích thước centimet và mảng hàng chục transistor cho thấy “tờ giấy bán dẫn có thể xóa” đang tiến thêm một bước từ ý tưởng vật lý sang nền tảng thiết bị thực nghiệm.
