IBM thành lập nhà máy sản xuất chip lượng tử đầu tiên với sự hỗ trợ 1 tỷ USD từ Đạo luật CHIPS

IBM và Bộ Thương mại Hoa Kỳ vừa công bố một thỏa thuận mang tính bước ngoặt nhằm thành lập Anderon, nhà máy foundry (sản xuất đúc chip) chuyên biệt đầu tiên tại Mỹ dành riêng cho chip lượng tử. Sáng kiến này được hậu thuẫn bởi gói tài trợ 1 tỷ USD từ Đạo luật CHIPS và 1 tỷ USD tiền mặt từ IBM, cùng với các đóng góp lớn về sở hữu trí tuệ và tài sản.

Đây là khoản đầu tư lớn nhất trong một gói hỗ trợ lượng tử rộng lớn hơn trị giá 2 tỷ USD mà Bộ Thương mại đang phân phối cho chín công ty. Trong khi các công ty như D-Wave, Rigetti và PsiQuantum nhận được các khoản đầu tư vốn cổ phần nhỏ hơn để phát triển các phương pháp lượng tử thay thế (như ion bẫy hoặc photonics), thì Anderon của IBM được định vị là trung tâm của chính sách công nghiệp lượng tử quốc gia.

Nhà máy sản xuất chip lượng tử

Tầm quan trọng của công nghệ 300mm

Điểm khác biệt cốt lõi của Anderon so với các nỗ lực trước đây là việc sử dụng quy trình sản xuất tấm wafer 300mm. Hầu hết các nghiên cứu lượng tử hiện tại, bao gồm cả những công trình sơ khai của IBM, đều dựa trên công nghệ wafer 200mm mang tính chất thử nghiệm và linh hoạt trong phòng thí nghiệm.

Tuy nhiên, việc chuyển sang quy trình 300mm tại cơ sở Albany NanoTech cho phép tận dụng cơ sở hạ tầng sản xuất bán dẫn tiên tiến nhất thế giới. Theo Jay Gambetta, Giám đốc Nghiên cứu của IBM, việc chuyển đổi sang quy trình 300mm giúp tăng tốc độ tạo ra thiết bị lên gấp 30 lần và tăng độ phức tạp lên gấp 10 so với các phương pháp cũ. Điều này tạo ra lợi thế to lớn về tốc độ lặp lại (iteration velocity) mà các cơ sở 200mm không thể sao chép nếu không đầu tư hoàn toàn mới vào máy móc.

Sản xuất chip quy mô lớn

Cấu trúc tài trợ này cho thấy chính phủ Mỹ đang đặt cược lớn vào qubit siêu dẫn (superconducting silicon) như là phương pháp duy nhất hiện tại có khả năng tận dụng quy mô sản xuất công nghiệp. Các phương pháp khác như ion bẫy (trapped-ion) hay photonics, dù có tiềm năng về mặt vật lý, lại gặp khó khăn trong việc tích hợp vào quy trình sản xuất tự động hóa khép kín của ngành bán dẫn truyền thống.

Hệ sinh thái phần cứng và thách thức điều khiển

Anderon không chỉ sản xuất các wafer chứa qubit lượng tử mà còn cả các wafer điện tử hỗ trợ. Đây là một sự thừa nhận quan trọng: máy tính lượng tử có khả năng mở rộng quy mô (scalable) phụ thuộc nhiều vào hạ tầng điều khiển cổ điển như chính các qubit vậy.

IBM đang phát triển bốn chip ASIC tùy chỉnh để giải quyết bài toán điều khiển này, bao gồm bộ giải mã (decoder), bộ điều khiển cổng hai qubit, bộ điều khiển một qubit và bộ khuếch đại. Các chip này dự kiến sẽ sẵn sàng vào khoảng năm 2029, thời điểm mà IBM nhắm tới mục tiêu hệ thống lượng tử chịu lỗi (fault-tolerant) với mức tiêu thụ điện năng khoảng 3 megawatt.

Hệ sinh thái công nghệ tương lai

"Việc chuyển đổi sang 300mm cho phép chúng tôi tăng tốc độ lặp lại nhanh hơn nhiều so với các phương pháp dựa trên quang học trong xử lý qubit," đại diện IBM nhấn mạnh.

Tác động đến ngành công nghiệp

Gói đầu tư 2 tỷ USD của Đạo luật CHIPS đang tạo ra một hệ sinh thái phân tầng rõ rệt. Với 1 tỷ USD dành cho cơ sở hạ tầng sản xuất của IBM và 375 triệu USD cho GlobalFoundries, chính phủ Mỹ đang xây dựng một cấu trúc nơi các nhà máy 300mm đóng vai trò là hạ tầng sản xuất chính, trong khi các công ty khác nhận vốn đầu tư mạo hiểm để nghiên cứu.

Động thái này có thể thúc đẩy quá trình hợp nhất cần thiết trong ngành công nghiệp phần cứng lượng tử. Bằng cách tập trung vốn vào phương pháp sản xuất đã sẵn sàng nhất về mặt công nghệ, Mỹ hy vọng sẽ tăng tốc độ chuyển đổi từ các nguyên mẫu phòng thí nghiệm sang các sản phẩm thương mại có quy mô, đảm bảo vị thế dẫn đầu trong cuộc cách mạng tính toán tiếp theo.