Từ những khám phá vật lý cơ bản đến cuộc cách mạng công nghệ toàn cầu, ngành vi mạch bán dẫn đã trải qua hành trình phát triển không ngừng, góp phần định hình nền văn minh hiện đại. Việc hiểu rõ lịch sử hình thành và tiến hóa của ngành không chỉ giúp chúng ta nhìn lại những dấu mốc vĩ đại, mà còn truyền cảm hứng cho thế hệ trẻ tiếp bước vào lĩnh vực công nghệ lõi đầy tiềm năng này.
Những viên gạch đầu tiên: Thập niên 1870 – 1940
Lịch sử ra đời của ngành bán dẫn có thể được khởi nguồn từ phát minh ra bộ chỉnh lưu (thiết bị chuyển đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều) của nhà khoa học Karl Ferdinand Braun vào năm 1874. Đây là cơ sở cho sự ra đời của diode chỉnh lưu – thiết bị bán dẫn đầu tiên, cho phép chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành một chiều.
Đến những năm 1930–1940, các nghiên cứu về đặc tính của tinh thể germanium và silicon đã mở ra một hướng đi mới cho vật liệu bán dẫn. Tuy nhiên, thiết bị bán dẫn đầu tiên thực sự tạo ra bước ngoặt lịch sử lại xuất hiện sau Thế chiến thứ II.
Sự ra đời của transistor – Mở đầu kỷ nguyên bán dẫn hiện đại
Năm 1947, tại Phòng thí nghiệm Bell (Hoa Kỳ), các nhà khoa học John Bardeen, Walter Brattain và William Shockley đã chế tạo thành công transistor tiếp điểm (point-contact transistor). Một năm sau, Shockley tiếp tục phát minh ra transistor tiếp giáp (junction transistor) – tiền đề cho sự phát triển mạnh mẽ của các linh kiện bán dẫn sau này.
Sự kiện này không chỉ giúp nhân loại có được một linh kiện thay thế cho đèn điện tử (vacuum tube) cồng kềnh và tốn năng lượng, mà còn đặt nền móng cho cả ngành công nghiệp điện tử trong tương lai.
Trước đó, vào năm 1946, Đại học Pennsylvania (Mỹ) đã chế tạo một chiếc máy tính sử dụng đèn chân không. Chiếc máy tính này có kích thước khổng lồ, các đèn chân không chiếm toàn bộ tòa nhà, tiêu thụ lượng điện năng khổng lồ và tỏa ra rất nhiều nhiệt. Sau đó, máy tính sử dụng transistor – một cuộc cách mạng về kích thước và hiệu suất – đã ra đời, mở ra bước phát triển vượt bậc cho ngành công nghệ máy tính.
Năm 1956, Giải Nobel Vật lý được trao chung cho 3 nhà khoa học Shockley, Bardeen và Brattain vì những đóng góp quan trọng trong nghiên cứu bán dẫn và phát minh ra transistor.
Sự bùng nổ của mạch tích hợp (IC): Thập niên 1950 – 1970
Sau phát minh này, ngành công nghiệp bán dẫn đã phát triển nhanh chóng. Năm 1959, mạch tích hợp lưỡng cực (bipolar integrated circuit – IC) được phát minh bởi kỹ sư Jack Kilby thuộc công ty Texas Instruments và Robert Noyce của Fairchild Semiconductor (Mỹ). Phát minh này có ảnh hưởng to lớn đến lịch sử ngành bán dẫn, đánh dấu bình minh của kỷ nguyên IC. Thay vì lắp ráp từng linh kiện riêng lẻ, giờ đây hàng nghìn linh kiện có thể được tích hợp trên cùng một chip silicon – một bước nhảy vọt về hiệu năng, kích thước và chi phí sản xuất. Với đặc điểm nhỏ gọn và nhẹ, IC đã nhanh chóng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị điện tử.
Thập niên 1970 chứng kiến sự ra đời của bộ vi xử lý đầu tiên – Intel 4004, đánh dấu bước chuyển mình của vi mạch từ thiết bị điều khiển sang “bộ não” điều hành các hệ thống điện tử.
Định luật Moore và hành trình thu nhỏ không ngừng
Năm 1965, Gordon Moore – đồng sáng lập Intel – đưa ra dự đoán rằng số lượng transistor trên mỗi vi mạch sẽ tăng gấp đôi sau mỗi 18-24 tháng. Dự đoán này, về sau được biết đến với tên gọi Định luật Moore, đã trở thành kim chỉ nam thúc đẩy ngành bán dẫn phát triển liên tục trong hơn 5 thập kỷ.
Từ các chip 4-bit đầu tiên, ngành công nghiệp vi mạch đã tiến tới chế tạo các chip 64-bit với hàng tỷ transistor, ứng dụng trong mọi lĩnh vực từ điện thoại, máy tính, ô tô, đến trí tuệ nhân tạo và không gian vũ trụ.
Năm 1967, Texas Instruments phát triển thành công máy tính để bàn điện tử (calculator) sử dụng IC. Tại Nhật Bản, các hãng sản xuất thiết bị điện tử lần lượt tung ra thị trường các dòng máy tính điện tử, dẫn đến những “cuộc chiến máy tính” gay gắt kéo dài đến cuối những năm 1970. Mức độ tích hợp của IC tiếp tục được nâng cao, dẫn đến sự ra đời của mạch tích hợp quy mô lớn (LSI). Công nghệ tiếp tục phát triển không ngừng. Trong thập niên 1980, mạch tích hợp quy mô rất lớn (VLSI – chứa từ 100.000 đến 10 triệu linh kiện điện tử trên một con chip) được phát triển. Đến thập niên 1990, mạch tích hợp quy mô siêu lớn (ULSI – chứa hơn 10 triệu linh kiện trên một chip) ra đời. Trong những năm 2000, mạch tích hợp hệ thống (System LSI – tích hợp nhiều chức năng khác nhau trên một chip duy nhất) bắt đầu được sản xuất quy mô lớn.
Từ các chip 4-bit đầu tiên, ngành công nghiệp vi mạch đã tiến tới chế tạo các chip 64-bit với hàng tỷ transistor, ứng dụng trong mọi lĩnh vực từ điện thoại, máy tính, ô tô, đến trí tuệ nhân tạo và không gian vũ trụ.
Bán dẫn – Trái tim của kỷ nguyên số
Ngày nay, ngành bán dẫn đóng vai trò xương sống của cách mạng công nghiệp 4.0, là hạt nhân của mọi thiết bị điện tử hiện đại. Sự phát triển của AI, 5G, IoT, điện toán đám mây và xe điện đều phụ thuộc trực tiếp vào tiến bộ của công nghệ bán dẫn.
Trong bối cảnh thế giới ngày càng phụ thuộc vào công nghệ, nhiều quốc gia, bao gồm Việt Nam, đã xác định bán dẫn là lĩnh vực chiến lược cần ưu tiên phát triển, cả về nguồn nhân lực lẫn năng lực công nghệ.