Transistor đã dùng electron hơn nửa thế kỷ: Computer tương lai có thể tính toán bằng những “gợn sóng từ tính”
Dự án SWIFT do USC dẫn dắt muốn thay dòng điện tích trong transistor bằng spin wave — các dao động tập thể của từ tính còn gọi là magnon. Nhưng đây chưa phải transistor hoàn chỉnh: mục tiêu quan trọng nhất hiện nay vẫn là chứng minh spin wave có thể làm thay đổi mạnh điện trở ở nhiệt độ phòng.
Transistor hiện đại đã được tối ưu qua nhiều thế hệ, nhưng nguyên lý cốt lõi vẫn dựa vào việc điều khiển dòng điện tích trong vật liệu bán dẫn. Nói chính xác hơn, chip CMOS xử lý thông tin bằng chuyển động của electron và các “lỗ trống” mang điện tích hiệu dụng. Cách làm này cực kỳ thành công, đồng thời kéo theo một giới hạn khó tránh: càng chuyển nhiều điện tích qua những cấu trúc ngày càng dày đặc, việc tiêu thụ năng lượng và sinh nhiệt càng trở thành bài toán lớn.
Một dự án mới do University of Southern California (USC) dẫn dắt đang thử đổi biến vật lý dùng để tính toán. Thay vì để thông tin chủ yếu đi theo dòng điện tích, nhóm nghiên cứu muốn sử dụng spin wave — những dao động tập thể của từ tính có thể hình dung như các gợn sóng lan trên mặt nước. Dự án có tên SWIFT, viết tắt của Spin-Wave Injection Ferro-elastic Transistor, được DARPA tài trợ 5,5 triệu USD trong ba năm. Mục tiêu là tạo một transistor có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng và, nếu thành công, vẫn tương thích với quy trình chế tạo chip hiện có.
Spin wave là gì, và vì sao nó khác dòng electron?
Trong vật liệu từ, spin của các electron có xu hướng tương tác với nhau. Khi một nhóm spin bị kích thích, sự lệch hướng có thể truyền sang các spin lân cận thành một dao động tập thể. Ở mô tả lượng tử, kích thích tập thể đó được gọi là magnon; ở mô tả sóng, nó được gọi là spin wave.
Điểm hấp dẫn nằm ở chỗ thông tin có thể được mang bởi pha, biên độ hoặc tần số của sóng từ thay vì phải dựa hoàn toàn vào dòng điện tích chạy qua một kênh transistor. Điều này không có nghĩa electron biến mất khỏi thiết bị — spin vẫn là thuộc tính của electron — mà là phần xử lý thông tin có thể chuyển sang động lực học tập thể của từ tính, qua đó giảm nhu cầu vận chuyển điện tích trên quãng đường tương đương.
Ý tưởng này thuộc lĩnh vực magnonics và đã được nghiên cứu trong nhiều năm. Năm 2024, một nhóm công bố trên Physical Review Applied một transistor magnon điều khiển bằng dòng một chiều, dùng giao thoa spin wave để chuyển giữa truyền và chặn tín hiệu, đồng thời thực hiện các hàm XOR và OR. Đầu năm 2026, một preprint khác báo cáo mạch magnon tích hợp có thể ghép tầng các cổng AND, OR và majority trên các ống dẫn sóng yttrium iron garnet kích thước nano. Những kết quả này cho thấy spin wave đã đi xa hơn mức ý tưởng lý thuyết, nhưng chúng chưa đồng nghĩa với việc một kiến trúc thay thế CMOS đã sẵn sàng.
SWIFT muốn biến “gợn sóng từ tính” thành transistor như thế nào?
Thông tin công khai từ USC hiện chưa mô tả đầy đủ cấu trúc vật liệu hoặc quy trình chế tạo của SWIFT. Điều nhóm nghiên cứu công bố rõ là transistor sẽ đưa spin wave qua một lớp vật liệu rất mỏng và cần tạo ra một liên hệ đủ mạnh giữa sóng từ với điện trở của thiết bị.
Đây chính là phép thử nền tảng của dự án. Ajey Jacob, người dẫn dắt chương trình tại USC Information Sciences Institute, cho biết kết quả ông chờ đợi nhất là chứng minh một spin wave có thể làm thay đổi mạnh điện trở. Nếu không có hiệu ứng đủ lớn và lặp lại được, việc biến spin wave thành một phần tử đóng/mở logic thực dụng sẽ rất khó.
Nhóm đặt thêm hai mục tiêu quan trọng: thiết bị phải hoạt động ở nhiệt độ phòng và có thể chế tạo bằng những quy trình gần với hạ tầng bán dẫn thông thường. Cả hai đều quan trọng hơn nhiều so với một demo trong phòng lab. Một cơ chế chỉ hoạt động ở nhiệt độ cực thấp hoặc cần vật liệu, thiết bị chế tạo hoàn toàn khác CMOS sẽ phải vượt qua thêm một rào cản rất lớn trước khi có thể tích hợp vào chip thương mại.
Con số 18.000 lần đến từ đâu?
USC cho biết ứng dụng thử nghiệm đầu tiên mà nhóm nhắm đến là xử lý tín hiệu GPS. Bộ thu GPS phải liên tục so khớp các tín hiệu rất yếu nhận từ vệ tinh với các mẫu đã biết. Theo nhóm nghiên cứu, đặc tính giao thoa và xử lý sóng của SWIFT có thể thực hiện dạng so khớp này trực tiếp hơn so với một chuỗi phép tính số truyền thống.
Nhóm dự báo một bộ xử lý GPS dựa trên SWIFT có thể đạt hiệu quả năng lượng cao hơn khoảng 18.000 lần so với phiên bản số thông thường nếu thiết bị đạt được các thông số mục tiêu. Đây là điểm cần đọc rất cẩn thận: 18.000 lần là mức dự phóng cho một kiến trúc tương lai, không phải kết quả đo trên một transistor SWIFT đã hoạt động. USC cũng nói rõ SWIFT hiện chưa phải một transistor hoàn chỉnh.
Việc chọn GPS làm bài test còn liên quan đến tính tái cấu hình. Một bộ xử lý có thể thay đổi nhanh cách tìm và lọc mẫu tín hiệu về lý thuyết có thể thích nghi tốt hơn khi xuất hiện nhiễu hoặc gây nhiễu có chủ đích. Đây là lý do DARPA quan tâm đến công nghệ cho các hệ thống hoạt động trong môi trường tín hiệu phức tạp.
Magnonics vẫn còn những nút thắt khó
Spin wave có ưu điểm tiềm năng về năng lượng, nhưng truyền và điều khiển chúng ở quy mô chip không hề miễn phí. Sóng từ bị suy hao khi lan truyền; các mạch logic dựa trên giao thoa cũng nhạy với pha và biên độ. Khi nhiều tầng logic được nối tiếp, tín hiệu phải đủ mạnh và đủ chuẩn hóa để đầu ra của tầng trước có thể trở thành đầu vào đáng tin cậy cho tầng sau.
Một vấn đề khác là chuyển đổi giữa spin và điện tích. Máy tính hiện tại, cảm biến và phần lớn giao tiếp ngoại vi đều dùng tín hiệu điện. Nghiên cứu của University of Konstanz công bố năm 2026 gọi spin-to-charge conversion là một trong những thách thức lớn của spintronics; nhóm của họ đã chứng minh một cơ chế chuyển tính kết hợp của magnon terahertz sang tín hiệu có thể nối với hệ điện tử, nhưng thử nghiệm được thực hiện ở khoảng 10 K. Khoảng cách từ một cơ chế vật lý đo được tới một transistor nhiệt độ phòng có thể sản xuất hàng loạt vẫn còn rất xa.
Chính vì vậy, câu hỏi đáng quan tâm với SWIFT lúc này không phải “khi nào laptop sẽ bỏ transistor silicon”, mà là dự án có vượt qua được phép thử đầu tiên hay không: tạo ra một thiết bị mà spin wave điều khiển điện trở đủ mạnh, ổn định, lặp lại được và tương thích với chế tạo bán dẫn. Jacob cho biết nhóm kỳ vọng có proof of concept trong khoảng 18 tháng.
Nếu mốc đó đạt được, SWIFT sẽ cung cấp thêm bằng chứng rằng tính toán không nhất thiết phải gắn chặt với việc đẩy điện tích qua hàng tỷ transistor theo cách hiện nay. Nhưng cho đến khi có dữ liệu thiết bị thực, đây vẫn là một chương trình nghiên cứu beyond-CMOS có mục tiêu rõ ràng — chưa phải một công nghệ đã sẵn sàng thay thế chip hiện tại.
