Khi có dịp nói chuyện hoặc giảng bài cho sinh viên tôi thường sử dụng phát biểu: “Vật lý nghiên cứu về các dạng tồn tại và quy luật vận động của vật chất để từ đó chúng ta giải thích/hiểu được bản chất của các hiện tượng tự nhiên và cũng từ đó mà có những ứng dụng vào đời sống.” Tôi cho rằng phát biểu này không những đúng mà còn rất hay. Nó cho thấy Vật lý không hề đơn giản, phải nghiên cứu cơ chứ không thể chỉ nhìn, chỉ nói khơi khơi mà được. Nghiên cứu Vật lý có tính mục đích rất cao: thứ nhất là cho phép loài người hiểu được về thế giới tự nhiên mà trong đó con người tồn tại, thứ hai là có thể vận dụng được các điều kiện tự nhiên để sống. Rõ ràng thế cơ mà!
Nhưng ở đây tôi muốn chỉ ra rằng thật ra trong đời sống con người không cần Vật lý! Nhưng, Vật lý thì lại như vị thần trong chiếc đèn dầu, không cố chấp mà luôn trung thành và tận tuỵ hiện thực hoá những ước muốn vô độ của con người.
Chúng ta có thể thấy, với nhu cầu buôn chuyện giữa những người ở cách xa nhau, người ta cần một cái điện thoại nghe-nói được và thế là loại điện thoại đó ra đời. Có điện thoại, người ta ước muốn có thể nhìn thấy khuôn mặt của nhau khi nói chuyện, thế là chiếc điện thoại với camera ra đời. Chưa dừng lại ở đó, người ta còn muốn khuôn mặt mình hiện ra trên màn hình của người khác phải lung linh hơn thật nên chiếc smartphone ra đời với camera được trang bị cả một hệ thống xử lý ảnh với kỹ thuật trí tuệ nhân tạo ra đời … Đấy, cái người ta cần đâu phải là Vật lý mà là chiếc điện thoại kia!
Nhưng Vật lý như vị thần đèn lại hiện ra giúp cho những tham vọng của con người được hiện thực hoá! Thật vậy, chúng ta sẽ thấy Vật lý cao cấp ở khắp mọi chi tiết của một chiếc điện thoại. Hãy cùng mổ sẻ ra nhé!
Và đây là cấu tạo một chiếc smart phone:
1. Màn hình: Screening/Monitor
2. Pin: Battery
3. SoC: System on a Chip
4. CPU: Central Processing Unit
5. GPU: Graphic Processing Unit
6. MMU: Memory Management Unit
7. Cache L1, L2
8. Chip xử lý video và hiển thị
9. RAM và bộ nhớ trong
10. Kết nối và modem
11. Camera và bộ xử lý tín hiệu hình ảnh
12. Bộ chuyển đổi dữ liệu DSP và DAC
13. Others: GPS, speakers và các cổng kết nối
Nguồn ảnh : Internet
Chúng ta thấy đấy, chiếc điện thoại là một sản phẩm công nghệ mà ở đây là sự kết hợp của rất nhiều công nghệ. Đến lượt nó, mỗi công nghệ lại dựa vào một vật lý cụ thể mà chúng thật ra không xa lạ gì với người học vật lý hiện nay.
Thật vậy, với màn hình smartphone hiện nay có hai thể loại, một được gọi là LCD và một được gọi là LED. Với loại LCD bí ẩn cho phép hiện thị hình ảnh là ở chỗ lợi dụng đặc tính phân cực của ánh sáng. Theo đó, ánh sáng phân cực được hình thành bằng cách chiếu một ánh sáng nền qua một lớp tinh thể lỏng. Sự định hướng của các tinh thể lỏng được điều khiển bằng một tín hiệu điện áp. Như thế, ánh sáng đi qua lớp tinh thể lỏng sẽ có một phương phân cực được xác định. Ánh sáng này tiếp theo truyền qua một vài lớp lọc phân cực và tạo thành hình ảnh sống động như chúng ta được trải nghiệm.
Với màn hình LED, việc tạo ảnh không cần dựa trên ánh sáng phân cực, không cần lớp tinh thể lỏng, mà ở đây là việc điều khiển chính xác cường độ phát sáng của các diode phát ánh sáng đỏ, lục và lam.
Vấn đề là làm sao ta có thể biết cách tạo ra ánh sáng phân cực, rồi điều chỉnh một cách chính xác các trạng thái phân cực của ánh sáng hay làm thế nào để tạo được các ánh sáng với bước sóng cho trong một khoảng rất chính xác?
Vật lý đấy! Và những việc này không phải là thử sai mà được đâu nhé mà phải: thiết lập một cách đúng đắn một hệ thống các phương trình diễn tả các quy luật vật lý rồi phải xây dựng một chương trình máy tính cho phép tính toán mô phỏng được hoạt động của hệ thống trong những điều kiện xác định. Lời giải tính toán này cho phép các kỹ sư có được các thông số điều khiển hệ thống cụ thể để từ đó đưa ra giải pháp thiết kế sản phẩm cụ thể.
Tiếp theo, Vật lý của battery là gì?
Hiện nay tất cả các điện thoại smartphone đều dùng thể loại pin rắn trong đó ion Lithium là nhân tố hạt mang điện được truyền tải giữa hai điện cực. Trong quá trình charging, dưới tác dụng của điện áp ngoài, các ion Lithium được tích luỹ tại bề mặt của một điện cực và tạo ra một điện áp chênh lệch giữa hai điện cực. Trong quá trình discharging, sức điện động của pin cho phép hình thành một dòng điện bên trong hệ thống nối với pin còn ở trong pin các ion Lithium khuếch tán về điện cực đối diện và làm cho hiệu điện thế giữa hai bản cực của pin giảm dần. Nguyên lý hoạt động thì như thế nhưng vấn đề là tại sao lại sử dụng ion Lithium? Sử dụng Lithium làm chất dẫn điện thì kéo theo phải giải quyết những vấn đề gì? Các nguyên lý của Vật lý nói chung sẽ gợi ý cho người ta lựa chọn được các vật liệu thích hợp. Bài toán thực tế đặt ra là làm thế nào để chế ra được một pin tốt thế nên bản chất ở đây là đi tìm lời giải của một bài toán tối ưu. Nói chung, việc phát biểu bài toán tối ưu thường rất dễ song việc tìm lời giải thì không hề dễ dàng. Cách tiếp cận tính toán lý thuyết có thể kém hiệu quả hơn cách tiếp cận thực nghiệm kiểu thử sai, ít nhất là trong trường hợp này.
Với camera, một bộ phận không thể thiếu đối với một smartphone hiện nay thì Vật lý của nó là gì?
Vâng, tất nhiên là quang học rồi. Những điều chúng ta được học về các nguyên lý tạo ảnh qua một hệ thống thấu kính quang học được vận dụng chính xác ở đây. Khi các kỹ sư thiết kế hệ thống thấu kính người ta phải giải một hệ thống các phương trình thấu kính một cách chính xác. Vì hệ thống nói chung là phức tạp nên thay cho việc phải vẽ hình rồi giải tam giác thì người ta chế ra một phần mềm máy tính cho phép làm việc này một cách tự động. Việc điều chỉnh các tham số của hệ thống từng li từng tí một cho phép các kỹ sư tối ưu được thiết kế hệ thống và phần mềm như thế là một công cụ thiết kế hữu hiệu. Tuy nhiên, cũng cần phải an tâm nhau ở đây là việc viết ra các phần mềm cũng không có gì là cao đạo lắm, vấn đề cốt lõi là phải có một hệ thống các phương trình vật lý và phương pháp để giải hệ thống này, từ đó một thuật toán máy tính sẽ được xây dựng và code phần mềm sẽ được viết ra thôi.
Bây giờ ta nói về phần cốt lõi cao cấp của chiếc smartphone.
Chúng ta thấy, tất cả các bộ phận như
1. CPU: Central Processing Unit
2. GPU: Graphic Processing Unit
3. MMU: Memory Management Unit
4. Cache L1, L2
5. Chip xử lý video và hiển thị
6. RAM và bộ nhớ trong
7. Kết nối và modem
Mặc dù có chức năng khác nhau nhưng đều có bản chất là những mạch tích hợp được chế tác một cách vô cùng tinh vi với những kỹ thuật vô cùng cao cấp. Mạch tích phân thực chất là một mạch điện vô cùng phức tạp được chế tạo không theo cách lắp ráp các linh kiện theo một sơ đồ như chúng ta có thể thấy hoặc thực hành mạch điện trong phòng thí nghiệm khi học tập. Trong mạch tích phân, các linh kiện và cả dây dẫn được chế tạo cùng lúc. Các kỹ thuật thực hiện ở đây là các kỹ thuật chế tác vật liệu ở cấp độ micromet, và hiện nay là ở cấp độ nanomet. Nhớ rằng 1 micrometer = 100 nm. Trước đây chúng ta nghe thấy khái niệm “vi điện tử” hay “micro-electronics” là để chỉ công nghệ xử lý vật liệu ở thang độ micrometer. Hiện nay gọi đúng thì ta có “nano-electronics”. Công nghệ chế tạo vi mạch của Intel và các hãng khác hiện nay là ở cấp độ 10 nm.
Trong các mạch tích hợp, linh kiện quan trọng nhất là những cái transistors. Lịch sử phát triển của lĩnh vực điện tử – electronics – có thể được đánh dấu bằng một số dấu mốc phát minh quan trọng mà gần như mỗi phát minh lại được trao một giải Nobel. Cũng cần phải nói luôn, các linh kiện được phát minh ra không phải là một sản phẩm công nghệ mà nó là kết quả của nghiên cứu khoa học, ở cấp độ nghiên cứu cơ bản. Ví như với phát minh ra linh kiện MOSFET, ba ông Bardeen, Bratain và Shockley thực chất chứng minh rằng có thể điều khiển được dòng điện chạy trong một khối bán dẫn (Ge) bằng hiệu ứng trường (sử dụng một điện áp đặt vào một điện cực). Đấy là một chứng minh vật lý chứ không phải là công nghệ và như thế các ông ấy khoe cho cả thế giới được biết chứ không giấu nhẹm đi để kiếm tiền!
Ở phổ thông và ngay cả cấp độ đại học chúng ta thường được dạy về một loại transistor bán dẫn là bipolar transistor. Linh kiện này về cơ bản được làm từ 3 lớp vật liệu bán dẫn; thực chất là từ một khối bán dẫn như GaAs rồi pha thêm các nguyên tử tạp chất vào các miền khác nhau để tạo ra các lớp vật liệu khác nhau. Sở dĩ loại này được phát minh khá sớm và được dạy khá phổ thông vì kiến trúc của nó chỉ đơn giản như vậy; hoạt động của nó cũng rất dễ hiểu. Mặc dù kiến trúc đơn giản nhưng do nguyên lý hoạt động được kiểm soát bởi dòng điện nên không thể thể làm việc với công suất lớn. Loại transistor MOSFET trên thực tế mới là kiến trúc thích hợp được sử dụng trong các mạch tích hợp. Việc sử dụng linh kiện này vô cùng linh hoạt vì nó có thể: 1/ hoạt động như một cầu dao, nghĩa là chỉ đóng-ngắt dòng điện, 2/ khuếch đại tín hiệu: một điện áp đặt vào điện cực gate sẽ làm biến đổi điện áp ở điện cực drain. Điều quan trọng nhất của linh kiện MOSFET chính là ở chỗ người ta chế tạo đồng thời được hai loại n-MOSFET và p-MOSFET bằng cùng một công nghệ, và tích hợp luôn được với nhau trên mạch tích hợp. Hoạt động của hai linh kiện này có tính bù trừ bổ sung cho nhau thành thử làm cho mạch tích hợp hoạt động rất tối ưu về năng lượng. Chúng ta biết rằng khi hoạt động mạch tích phân toả ra một nhiệt lượng rất lớn. Việc không giải quyết được bài toán tản nhiệt thì sẽ không thể thực thi được việc tạo ra các mạch tích phân hoạt động đúng theo các chức năng thiết kế.
Câu hỏi đặt ra ở đây là Vật lý hiện hữu ở đâu trong mạch tích phân?
Câu trả lời là magic của mạch tích phân nằm ở Vật lý của electron! Electron trong vật liệu là nhân tố hình thành dòng điện vì vậy nó hiện thực hoá chức năng của linh kiện như transistor. Muốn kiểm soát được dòng điện ta phải kiểm soát được sự vận động của electron bên trong vật liệu. Làm thế nào để có thể kiểm soát được electron? Ok ok, câu hỏi rất hay rồi đúng không, và tôi không ngần ngại để nói rằng: cần phải hiểu được electron là gì! Chưa thoả mãn đúng không? Tôi gợi ý bằng cách đặt thêm một câu hỏi: phải hiểu electron như thế nào? Đến đây, nếu chúng ta đã học về vật lý thì sẽ thấy loài người đã trải qua những cung bậc nhận thức về electron như thế nào rồi đấy. Có thể nói vắn tắt là trước tiên người ta hiểu electron như những hành tinh mang điện chuyển động quanh hạt nhân nguyên tử – mô hình của Rethurfor đúng không. Tiếp theo là mô hình của Borh. Các mô hình này không ổn vì nó dựa trên bản chất vận động của vật chất theo cơ học Newton: chuyển động của đối tượng dưới tác dụng của lực! Nói đến đây thì mọi người có thể bắt đầu hiểu ra là: muốn hiểu về electron thì ta phải có hiểu biết về Quantum Mechanics, không thể khác được. Nếu chúng ta không biết về quantum mechanics thì nói về electron cũng chỉ là thầy bói xem voi mà thôi. Rất may là sinh viên ngành sư phạm vật lý có cơ hội được học về quantum mechanics và như thế là đủ để ta hiểu những vấn đề cao cấp nhất đấy.
Một cách vắn tắt, khi đã xây dựng được cơ học lượng tử, người ta đã áp dụng vào để nghiên cứu về vật liệu. Thành tựu rất lớn ở đây đó là: người ta phát hiện ra rằng ngoài các vật liệu có tính kim loại và tính điện môi thì có một loại được gọi là bán dẫn, nghĩa là trong điều kiện bình thường loại vật liệu này không dẫn điện, nhưng trong một điều kiện nhất định nó lại dẫn được điện. Phát hiện này dẫn đến một nhận xét là ta có được một loại vật chất mà cho phép biến đổi được dòng điện! Đây chính là bài học đắt giá nhất cho phép loài người có các phát minh kỹ thuật quan trọng như các linh kiện vừa giới thiệu.
Nghe thì đã có vẻ thông thông rồi đúng không nhưng tôi hiểu là nhiều người còn hoang mang lắm. Nỗi hoang mang rất có thể là nằm ở chỗ mọi người cảm thấy chênh vênh giữa những gì đã được học, đã biết rồi và những cái hiện hữu cụ thể là một trời xa cách! Chuyện trời-và-đất là bình thường. Không phải ta cứ học được nhiều thứ thì sẽ làm được nhiều thứ. Thật ra học thật nhiều có khi chỉ để để làm một tí, và sự thật là để thay đổi mindset và thái độ của mình mới là một việc làm khó khăn kinh khủng. Những Vật lý mà chúng ta nói tới ở đây là vô cùng cao cấp nên chỉ riêng chuyện học thôi đã là một việc khó. Tuy nhiên, theo kinh nghiệm bản thân, tôi thấy nếu cứ nghĩ là khó thì rất khó thực hiện cái gì. Các sản phẩm cụ thể như chiếc smartphone thật ra không phải là sản phẩm của một người, nó là sản phẩm của một tập thể hãng Apple khi lần đầu tiên đưa ra thị trường sản phẩm này. Không những thế, nó còn phải là một sản phẩm của rất nhiều ngành nghề, nhiều lĩnh vực chuyên môn sâu được xây dựng hàng ngàn năm chứ không đơn giản là một vài năm! Như thế nếu chúng ta hoang mang thì sẽ thật là vô cớ. Nói thế chúng ta cũng đừng co lại theo cách: okay, anh nói thế thì tôi sẽ không còn băn khoăn về việc tôi sẽ không tự làm được một chiếc smartphone nữa, những tôi vẫn hoang mang vì cho dù đã hiểu về quantum mechanics thì tôi vẫn không thể tự làm được một chiếc transistor! Nếu bạn nghĩ thế thì tôi xin bạn đấy, bạn chưa thông hiểu được vấn đề rồi vì làm ra một chiếc transistor thực tế còn khó hơn làm một chiếc smartphone cơ!
Không làm được chiếc smartphone nhưng không có nghĩa bạn không đủ khả năng để nghiên cứu về những vấn đề hiểm hóc của chiếc transistor. Tôi nói thế vì chính tôi đã làm việc này mà. Luận án tiến sĩ của tôi là nghiên cứu những hiệu ứng lượng tử xuất hiện nổi trội và ảnh hưởng đến hoạt động của transistor MOSFET khi co kích thước của nó xuống thang độ nanometer. Tôi đã nghiên cứu phát triển một chương trình tính toán giải một hệ thống các phương trình mô tả sự vận động của electron bên trong kênh dẫn của linh kiện để từ đó khảo sát hoạt động của linh kiện này. Gói phần mềm của tôi được đặt tên là OPEDEVS mà tôi sẵn sàng chia sẻ dưới dạng mã nguồn mở đấy.
Khi nghiên cứu về OPEDEVS, chúng tôi cũng nhận ra nhiều bài toán cơ bản cần phải nghiên cứu giải quyết liên quan tới việc liệu có sử dụng được các vật liệu 2D để làm kênh dẫn điện trong các linh kiện hay không? Vấn đề truyền dẫn electron trong các vật liệu này như thế nào? Kết hợp các vật liệu này với các loại vật liệu khác thì sao? Đơn cử ở đây là liên kết giữa kênh dẫn là một lớp vật liệu như graphene với các điện cực bằng kim loại thì điện trở tiếp xúc sẽ như thế nào … Có quá nhiều vấn đề thực tế đặt ra ở cấp độ nghiên cứu cơ bản. Việc giải quyết các bài toán cơ bản này không trực tiếp cho phép chế ra được linh kiện điện tử nhưng sẽ là những đóng góp rất quan trọng về mặt nhận thức, chí ít về sự tồn tại của những vấn đề như thế, tiếp theo là nghĩ một và làm theo thì lại kéo theo việc giải quyết được hàng đống việc khác có khi còn quan trọng hơn cái đích cần đến. Cho đến nay, các mà nguồn tính toán cao cấp mà chúng tôi sở hữu thì thực chất được thu nhận từ nhu cầu nghiên cứu của chúng tôi, chứ không phải vô cớ mà viết ra được. Đấy chính là cái kéo theo quan trọng!
Tóm lại cái messages mà tôi muốn chia sẻ là 3 ý như thế này:
– Chúng ta học vật lý và làm vật lý là sự may mắn trong đời vì trước tiên nó cho chúng ta có những nền tảng kiến thức và hiểu biết nhất định khi nhìn nhận về thế giới tự nhiên và những thứ mà loài người đã biết cách vận dụng vào cuộc sống.
– Chúng ta không nên hoang mang về những cái chúng ta đã được học, đã được biết, đã được hiểu mà vẫn không thể làm nên trò trống gì. Đừng lo, sứ mạng của chúng ta là gì thì chúng ta hãy cố làm tốt theo sứ mạng đó. Chúng ta là nhà sư phạm thì phải có kiến thức rộng và vững vàng để dạy cho người khác, để truyền bá kiến thức rộng rãi. Chúng ta làm nhà nghiên cứu vật lý thì hãy nhận thức rõ các bài toán vật lý để giải quyết; chúng ta là kỹ sư thì cũng hãy giải quyết cho tốt bài toán cụ thể được đặt ra.
– Đứng trước một vấn đề, chúng ta phải học được cách phân rã thành một hệ thống các vấn đề, ở các cấp độ khác nhau. Nếu chúng ta là người tự do, hãy chọn một bài toán phù hợp để giải quyết. Nếu chúng ta phải làm việc theo sự phân công, hãy cố gắng học hỏi để làm theo sự chỉ dẫn. Mọi người đều có cơ hội và có năng lực để làm một điều gì đó.
Nguồn PGS. Đỗ Văn Nam, ĐH Phenika (https://www.facebook.com/vannam.do.921)