Trong khởi nghiệp, số người thất bại luôn luôn nhiều hơn số thành công. Có lẽ, để giành chiến thắng ở các chặng đua then chốt như tìm được nguồn tài trợ đủ lớn để “nuôi” kết quả nghiên cứu thành công nghệ, biến công nghệ thành sản phẩm, nhà nghiên cứu cần có nhiều sự quả cảm, tinh thần nhẫn nại và cả một chút may mắn nữa. Không có thành quả nào sinh ra từ hư không trong khi thất bại lúc nào cũng chực chờ. Một chu trình hoàn hảo từ nghiên cứu đến đổi mới sáng tạo mà người ta vẫn mường tượng thường ẩn chứa trong lòng nó vô số yếu tố không hoàn hảo của bối cảnh và nguồn lực.

Dẫu vậy, danh sách những nhà nghiên cứu mộng mơ mong muốn tạo ra một sản phẩm hữu dụng cho xã hội, và cho cả chính mình, vẫn được nối tiếp theo thời gian. Họ thuộc nhóm những người mà nói như giáo sư Trần Xuân Hoài (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) “làm nghiên cứu để biến tiền đầu tư của nhà nước hoặc của ai đó thành kiến thức của mình và đổi mới sáng tạo để biến kiến thức thành tiền. Cách làm ra tiền này thường thông qua doanh nghiệp khởi nguồn (spinoff) và khởi nghiệp (startup), nghĩa là phải rút ruột từ hiểu biết để làm ra sản phẩm gì đấy”.

Là một người như thế, PGS. TS Nguyễn Trần Thuật (Trung tâm Nano và năng lượng, ĐH Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN) đang có trong tay một sản phẩm mà đột nhiên vào nửa cuối năm 2023 vô tình, hay may mắn (!?), trở thành chủ đề thời thượng và được bàn tán khắp mọi nơi – từ các trang mạng xã hội đến bàn hội nghị hay các cuộc trò chuyện “trà dư tửu hậu” – chip bán dẫn.

Đó là điểm mốc đánh dấu sự khép lại một nỗ lực nhưng cũng khởi đầu của một hy vọng spinoff, một con đường dài hơn ở phía trước.

Eureka từ phòng thí nghiệm

Khi nghĩ về khoa học và sự sáng tạo, người ta thường nghĩ đến giai thoại hài hước về Archimedes thành Syracuse của Hy Lạp cổ đại, khi ông giải được bài toán thể tích của chiếc vương miện vàng để kiểm tra chất liệu làm vương miện mà không phải dùng đến biện pháp tầm thường là phá hủy nó. Tuy nhiên, bên cạnh sự ấn tượng về “sự kỳ quặc bác học”, mọi người vẫn thường có xu hướng cho là khoa học gắn liền với sự thiên tài và nhà khoa học thường ngồi mơ mộng, chờ thời khắc cái mới gõ cửa.

Mọi thứ không đến dễ dàng thế. Những gì mọi người thấy chỉ là phần nổi của tảng băng chìm bởi khoảnh khắc bùng nổ của cái mới trong không gian sáng tạo vẫn là kết quả của cả một quá trình lao động cật lực ngày qua ngày, năm qua năm trước đó. “Eureka phải có điều kiện, điều kiện ở đây là lao động, phải làm được tất cả mọi bước thì mới ra được một quy trình mới và quy trình ấy mình phải thấy tốt hơn những quy trình hiện có, đặc biệt là trong chuyện giảm chi phí chế tạo”, PGS. TS Nguyễn Trần Thuật nói trong không gian phòng thí nghiệm hóa bề bộn và ngổn ngang hộp giấy xếp đầy trên giá, kệ treo tường của Trung tâm Nano và Năng lượng. Có nhiều nhóm nghiên cứu nhỏ quy tụ những thành viên từ nhiều trường khác nhau cùng làm việc tại đây, mỗi nhóm cần mẫn thực hiện các dự án khác nhau và ở các giai đoạn công việc khác nhau khiến mọi thứ đôi khi chồng lấn lên nhau nhưng lại tạo ra một sức sống đặc biệt ở nơi này. Đó là nơi anh và cộng sự từng ngày chăm chút cho dự án về chip ảnh nhiệt của mình, một sản phẩm bé nhỏ có thể nằm gọn trong lòng bàn tay nhưng lại đầy quyền năng trong thế giới hiện đại.   

Chip ảnh nhiệt ư? Nó là gì nhỉ? Với nhiều người, mối liên hệ đầu tiên với ảnh nhiệt là vào thời kỳ đầu của đại dịch COVID, ở các sân bay thường có gắn các camera nhiệt để sàng lọc từ xa những người có nhiệt độ cơ thể cao hơn mức thông thường trong đám đông người đang rộn ràng di chuyển. Với những người mê phim hành động, ắt hẳn sẽ nhớ đến những giây phút nín thở theo dõi một kẻ đạo chích, một điệp viên bí mật lẻn vào một tòa nhà trong đêm tối nhưng bị cặp mắt giám sát của camera nhiệt phơi bày. Sức mạnh của những cặp mắt công nghệ ấy nằm ở chip ảnh nhiệt, nơi rất nhạy với nhiệt độ nên có khả năng phân biệt được các nguồn phát nhiệt khác nhau dựa trên công suất phát xạ. Nói nôm na thì đơn giản vậy nhưng bí quyết của chip ảnh nhiệt nằm ở nguyên lý khoa học mà nhà vật lý Đức Max Planck, người đặt nền tảng cho cơ học lượng tử, đưa ra vào những năm đầu thế kỷ 20, “mọi vật mang nhiệt độ đều tự động phát ra bức xạ điện từ; ví dụ, cơ thể người phát ra bức xạ trong vùng bước sóng từ 8 µm đến 12 µm, gọi là bức xạ hồng ngoại nhiệt hay bức xạ hồng ngoại sóng dài. Nhờ bản chất này, chúng ta có thể chụp được ảnh nhiệt độ của vật thể nếu có một loại cảm biến, giống như võng mạc mắt, hiệu quả trong vùng bước sóng xung quanh 10 µm. Cảm biến cho phép chụp ảnh nhiệt này được gọi là chip ảnh nhiệt”, PGS. TS Nguyễn Trần Thuật giải thích.

Câu chuyện về thứ thiết bị điện tử tinh tế, với nhiều linh kiện điện tử được kết nối với nhau và được khắc lên một mảnh vật liệu bán dẫn nhỏ, hình thành trong một phòng thí nghiệm Việt Nam dường như là một điều lạ lùng. Từ vài năm nay, một số công ty Việt Nam đã có sản phẩm chip các loại nhưng hầu hết đều là tự thiết kế phần vi mạch để gửi đi sản xuất ở nước ngoài theo dạng fabless. “Việc làm chip quá phức tạp và thường là không đủ cơ sở chất để làm. Có thể có những người đi học về chip ở nước ngoài nhưng chưa ai dám thử sức từ vật liệu đến đóng gói sản phẩm như chúng tôi”, PGS. TS Nguyễn Trần Thuật nói. Vì sao, vì nó quá thách thức ư, ngay cả với dân kỹ thuật? Ồ, thách thức chứ vì làm cái gì mới là thách thức rồi trong khi ở đây, mình buộc phải kiểm soát tất cả mọi thứ, mọi công đoạn từ A đến Z. Nhưng chip ảnh nhiệt đâu có mới? Đúng vậy nhưng việc làm theo quốc tế được và cải thiện một khâu nhỏ trong quy trình đã là rất khó rồi.

Đó là một chặng đường, bắt đầu từ khi PGS. TS Nguyễn Trần Thuật trao đổi với “anh em”, những nhà nghiên cứu ở nhiều trường viện khác nhau và ở các lĩnh vực chuyên môn khác nhau, để hình thành dự án “Nghiên cứu phát triển công nghệ chế tạo cảm biến ảnh hồng ngoại nhiệt ứng dụng trong an ninh quốc phòng và dân dụng” rồi đề xuất lên Quỹ VINIF vào năm 2019. Một dự án kéo dài trong ba năm, với 17 thành viên thực hiện và 10 tỷ đồng kinh phí. “Năm đầu tiên như đi trong mơ”, anh kể.

Hết giai đoạn trăng mật, mọi chuyện mới thực sự bắt đầu. Có nhiều việc phải làm, nhiều công đoạn phải tiến hành, “ở giai đoạn thiết kế, tôi làm việc với các bạn thiết kế về cơ khí và quang học của chip. Khi chuyển sang chế tạo thì mình phải chuyển đổi từ thiết kế chip thành quy trình chế tạo trong phòng sạch. Chuyển đổi như vậy rất khó vì nó đòi hỏi mình phải biết về vật liệu, tính chất quang, tính chất điện của vật liệu, trộn với nhau và kết hợp thành một hình dáng cụ thể thành linh kiện điện tử”, PGS. TS Nguyễn Trần Thuật giải thích. Vật liệu mà anh chọn thuộc họ vật liệu cấu trúc delafossite ABO2, loại hợp chất bán dẫn kim loại ba thành phần có hệ số nhiệt điện trở phù hợp với bài toán điện trở – nhiệt độ. “Trong trường hợp các nguyên tố kim loại A và B thuộc loại đa hóa trị, sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ còn có thể lớn hơn rất nhiều. Điều này mở ra tiềm năng có thể nâng độ nhạy của cảm biến ảnh nhiệt và là tiền đề đầu tiên của chúng tôi trong phát triển công nghệ chế tạo chip ảnh nhiệt”, anh nói. Đó là lý do anh và cộng sự quyết định đăng ký sáng chế ở Cục SHTT “Vật liệu nhiệt điện trở ABxOy, phương pháp chế tạo màng mỏng và cảm biến ảnh hồng ngoại nhiệt sử dụng vật liệu này”.

Thật khó để kể lại tỉ mỉ rành mạch cả quy trình tạo ra một sản phẩm phức tạp như chip ảnh nhiệt, một quy trình hình thành từ những cụm từ “thử và sai”, “làm lại từ đầu”, “đập đi làm lại”…, nhưng rõ ràng, nó đem lại “một công nghệ tích hợp nguyên khối được hầu hết các công ty sản xuất chip ảnh nhiệt trên thế giới sử dụng và thương mại hóa sản phẩm”, anh nói.

Điều đó đã đủ tự hào? Nếu ai đó tự hào là mình có thể giải được những ‘bài toán trong bài toán’ thì có lẽ danh sách ấy phải có tên nhóm của anh. “Chúng tôi đã vượt qua được phần khó nhất trong phát triển công nghệ này, gồm hai điều: thứ nhất, làm thế nào để phần hấp thụ tốt bức xạ hồng ngoại được cách ly về nhiệt nhưng vẫn dẫn điện với bên ngoài; thứ hai, các thành phần thay đổi nhiệt độ dưới bức xạ hồng ngoại cũng cần phải được tiểu hình hóa và bố trí thành một ma trận tích cực với số lượng phần tử đủ lớn để có thể tạo thành một ảnh nhiệt có độ phân giải dùng được”, PGS. TS Nguyễn Trần Thuật nói.

Một đột phá về giá thành

Dẫu nghề khoa học ở Việt Nam không oai và không giàu nhưng bù lại, cũng có những thời khắc tự tưởng thưởng khi có thể nhìn thấy cơ hội của công nghệ mới trước những người khác. Vì vậy, khép lại đề tài do VINIF tài trợ, ba năm lao động cật lực để tạo ra một sản phẩm không chỉ đem lại cho nhóm của PGS. TS Nguyễn Trần Thuật một công nghệ hoàn chỉnh, những bài báo quốc tế và những đăng ký bảo hộ sản phẩm trí tuệ mà còn gợi mở cho anh hướng đi xa hơn với chính công nghệ này. “Đầu tiên, đề tài đó cho mình một cách tiếp cận, một phương pháp chứng minh là mình có thể làm được; thứ hai là logic đấy ổn, không phải quá khó làm được ở Việt Nam”, anh nói.

Với những người thực hiện, những gì quý báu mà một dự án gợi mở còn là việc thấy được toàn cảnh công nghệ từ A đến Z, thấu được cả cái xù xì thất bại của nó bên dưới vẻ bóng bẩy thành công. “Những vấn đề gặp phải trong chế tạo nhiều lắm. Phòng sạch nghiên cứu vẫn chưa đạt được mức độ sạch cần thiết, dẫn đến khi chế tạo thì hiệu suất thấp, hỏng nhiều”, PGS. TS Nguyễn Trần Thuật nhớ lại. Hỏng ư? Hỏng nhiều chứ, mình làm 20 lần thì may ra mới được một lần, chỉ đạt tỉ lệ 5%. Điều đó có nghĩa là với hiệu suất chế tạo 5% thì công nghệ cho hệ thống máy móc thí nghiệm đó không khả thi cho ứng dụng thương mại, càng làm thì càng lỗ.

Rõ là muốn chuyển giá trị của một công nghệ hay ho ở quy mô sản xuất thử nghiệm thành hàng hóa và thu được tiền của thiên hạ thì vẫn cần nhiều đắp bồi khác, nếu không sẽ dễ rơi vào cảnh “buôn quan tám, bán quan tư”. Nhưng bằng cách nào? Câu hỏi này treo lơ lửng trong một thế giới được vận hành theo định luật Moore với sự gia tăng liên tục của mật độ transitor mà chúng ta có thể đóng gói để hướng tới các con chip ngày một “nhỏ hơn, nhanh hơn, tốt hơn”, và có lẽ cả rẻ hơn (!?). Trong kinh doanh, việc giữ nguyên chất lượng sản phẩm nhưng giảm giá thành đầu vào và giá cả đầu ra đã là một đột phá và cơ sở để một doanh nghiệp có thể sống sót trên thị trường. Dẫu chưa kinh doanh thì con mắt của những người làm công nghệ đã thấy điều đó. “Chip ảnh nhiệt gặp phải một giới hạn cố hữu về bản chất vật lý và năng lực vi chế tạo bề mặt, nếu vẫn muốn duy trì phương án chế tạo tích hợp nguyên khối, đó là chi phí chế tạo chip ảnh luôn lớn hơn chi phí chế tạo phần vi mạch. Theo một số tính toán, chi phí chế tạo phần vi mạch tăng theo ít nhất ở mức bình phương sự tăng kích thước chip ảnh”, PGS. TS Nguyễn Trần Thuật chỉ ra vấn đề của chính mình.

Lời giải giảm giá thành chế tạo chip ảnh nhiệt đã được hình thành từ những nung nấu trong phòng thí nghiệm.

Theo quan sát của anh, các công ty lớn trên thế giới vẫn áp dụng quy trình chế tạo chip ảnh nhiệt này nhưng có lẽ, họ chế tạo dưới dạng mẻ lớn thì giảm chi phí có thể giảm xuống. Để “đu” được theo họ, mình phải có giải pháp khác. Việc đi tìm một giải pháp khả thi để cải tiến công nghệ đã hình thành trong khi anh thực hiện đề tài VINIF. “Không thể ngồi không mà nghĩ ra được. Chỉ trong lao động, phải va đập, xoay đủ thứ thì mình mới có thể bật ra là à, có thể cải tiến cái gì, cái gì có thể thay đổi và cái gì có thể hoàn toàn làm mới. Bởi không lao động thì chỉ đi bắt chước”, anh nói.

Trên đường tìm lời giải giảm giá thành chế tạo chip ảnh nhiệt, anh nhận thấy nhiều nỗ lực của đồng nghiệp quốc tế nhưng các lời giải tiềm năng như sử dụng hoàn toàn công nghệ chế tạo vi mạch CMOS lại ẩn chứa nhiều điểm yếu công nghệ khác. Phải tìm cách khác, ví dụ như giảm thiểu phần diện tích chứa vi mạch CMOS cũng không tồi. “Khi đó, sẽ không cần sử dụng công nghệ chế tạo vi mạch CMOS trên toàn bộ diện tích của ma trận điểm ảnh nữa, có thể tách biệt nó hoàn toàn khỏi công nghệ chế tạo vi mạch CMOS. Lúc ấy, có thể làm nhỏ phần xử lý thật sự cần CMOS để tiết giảm chi phí. Mặt khác, phần ma trận các điểm ảnh được vi chế tạo bề mặt với chi phí thực sự thấp nếu việc này được thực hiện hoàn toàn trong nước”, PGS. TS Nguyễn Trần Thuật giải thích.

Khi suy nghĩ về phương án tách ma trận điểm ảnh khỏi phiến vi mạch, anh liên tưởng đến một platform (nền tảng) giá rẻ, phù hợp với chip ảnh mà cặp mắt của một nhà vật lý chất rắn biết là hữu dụng và sẵn có: màn hình led. Thú vị không ngờ! Anh nói “Màn hình của mình cũng là một linh kiện điện tử, nó cũng có từng điểm ảnh và được chế tạo trên một diện tích lớn. Và nó rẻ. Trong màn hình này có rất nhiều thứ, và có phần phát sáng và cái phần điều khiển. Công việc của mình chỉ là cải tiến, đổi đổi một chút, dùng khả năng thiết kế của mình để đưa vào quy trình chế tạo, cắt ra làm chip của mình”. Một quy trình hoàn toàn mới!

Đó thực sự là một đột phá bởi với cải tiến này, giá thành của con chip ảnh nhiệt đã thu nhỏ gấp gần trăm lần. Bài toán kinh phí đã được giải một cách xuất sắc. “Ồ nhưng khi tìm hiểu thì hóa ra, mình không phải là người đầu tiên nghĩ ra phương án này. Dẫu là người thứ hai thôi nhưng mình không học theo người ta, mình tự nghĩ ra trong quá trình làm việc”, anh nói.

Cái lõi công nghệ thu được từ dự án với VINIF đã là cơ sở để anh làm ra một sản phẩm mới và sản phẩm ấy là cơ sở để nghĩ đến việc lập công ty spinoff. Một cơ hội đã hiển thị rõ ràng.

Giới hạn mới mở cơ hội mới

Ở thời điểm hiện tại, dù phạm vi ứng dụng nhỏ hơn chip ảnh thông thường nhưng chip ảnh nhiệt vẫn tràn trề tiềm năng có mặt ở nhiều khía cạnh của cuộc sống như quản lý năng lượng tòa nhà, hỗ trợ xe tự hành từ xa, quốc phòng an ninh… Nhiều nhà nghiên cứu cho rằng, cơ hội tiếp tục mở rộng với những vấn đề của hiện tại như sử dụng để dò không xâm lấn các khối u bất thường với mức trao đổi chất và nhiệt độ cao hơn mô khỏe trong cơ thể con người hoặc phát hiện các cuộc gọi giả mạo qua điện thoại thông minh thông qua việc nhận diện khuôn mặt theo thời gian thực với sự hỗ trợ của ảnh nhiệt 1. Đó là một trong vô số lý do mà người ta dự đoán, nhu cầu về chip ảnh nhiệt sẽ gia tăng trong thập kỷ tới, nếu giá thành ngày một rẻ hơn.

Cơ hội để thành lập một doanh nghiệp spinoff đã xuất hiện nhưng việc một nhà nghiên cứu đi tìm các nhà đầu tư luôn gian nan. GS. Vũ Thị Thu Hà (Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ lọc hóa dầu) từng kể “gặp cả trăm người, trao đổi hàng trăm lần, may ra mới có một người quan tâm”. PGS. TS Nguyễn Trần Thuật cũng nếm trải điều này, “định hướng gõ cửa vài chỗ mới được một, xác suất thành công ở mức dưới 30%. Thông thường, mình nhắm đến người này nhưng họ không thật sự quan tâm và người mình không nhắm tới lại thấy thích ý tưởng. Mình phải mất nhiều công sức, không có chuyện may mắn ngẫu nhiên hay há miệng chờ sung được”.

Tất cả mới ở giai đoạn bắt đầu nhưng một con người luôn đặt nhiều khả năng để lựa chọn như PGS. TS Nguyễn Trần Thuật thì không thể không nghĩ đến những bước tiếp theo, ví dụ như khâu chế tạo “Tôi vẫn nghĩ, cách khả thi nhất vẫn là dạng fabless, tức là mình thiết kế rồi gửi đi chế tạo, chả có cách nào khác được. Ừ fabless thì có sao, miễn là khi đây là sản phẩm mà mình có thể làm cả đời”. Làm cả đời ư? Đúng vậy, anh nói. “Nếu mình đưa thêm nhiều cái nữa vào đó, ví dụ như điện toán thần kinh chẳng hạn. Nếu đưa được nó vào con chip này, tích hợp được AI vào đó thì nó đã là sản phẩm của tương lai rồi”.

Trong tự nhiên có rất nhiều điểm gợi cho anh suy nghĩ đến những cặp mắt công nghệ, ví dụ như sự linh hoạt của mắt ruồi hay mắt chuồn chuồn. “Điểm hay của mắt ruồi là ở chỗ thông tin được xử lý tại chỗ chứ không phải đưa về hệ thần kinh trung ương để hệ thần kinh này xử lý rồi truyền tín hiệu tới cánh. Do đó, nếu tìm ra phương án là một mô hình AI để điều khiển tất cả các hoạt động này một cách tự nhiên chứ không phải là nhân tạo là số hóa các thông tin, xử lý nó tốn rất nhiều năng lượng rồi chuyển trở lại”, anh trao đổi với các đồng nghiệp tại sự kiện bài giảng đại chúng “Xác định hướng đi trước sự phát triển và tác động của một số công nghệ mới”, tổ chức vào ngày 8/12/2023.  

Với con chip ảnh nhiệt thế hệ mới mà anh đang ấp ủ thì sẽ cần nhiều thời gian và công sức để nghiên cứu nhưng với công nghệ hiện tại, đã có một số nhà đầu tư thực sự quan tâm. Nghĩa là có đủ cơ sở cho một spinoff từ nghiên cứu trong trường đại học? Có thể chứ nhưng để chuẩn bị cho một spinoff ra đời một cách đường hoàng và bớt đi phần rủi ro, khâu chuẩn bị sẽ cần phải cẩn trọng rất nhiều. “Với cái mà mình kỳ vọng cả đời, không thể vội vàng quyết định được. Trước chip ảnh nhiệt, tôi đã từng thất bại một số ý tưởng như dự án sợi quang đầu tiên ở Việt Nam, pin mặt trời, phần mềm bán hàng vì nhiều nguyên nhân như năng lực tài chính không đủ, thị trường chưa sẵn sàng…”, PGS. TS Nguyễn Trần Thuật kể về những kinh nghiệm bầm dập khởi nghiệp của mình.

Ừ nhỉ, “kinh nghiệm là tên gọi khác chúng ta gọi thất bại”, nhà thơ Oscar Wilde từng tinh quái nói như vậy. Nhưng ở lần này, dường như mọi thứ đang ủng hộ PGS. Nguyễn Trần Thuật.

Nếu doanh nghiệp spinoff với công nghệ chip ảnh nhiệt của anh ra đời? Điều này gợi nhớ đến lời chia sẻ của giáo sư Trần Xuân Hoài tại tọa đàm “Nghiên cứu và Đổi mới sáng tạo trong lĩnh vực vật lý”, tổ chức vào tháng 7/2020, “Nhiều người [ở Việt Nam] chưa đổi mới sáng tạo để biến kiến thức thành tiền được, đặc biệt là ngành vật lý bởi theo tôi, biến tiền thành kiến thức rất được nhưng ngược lại thì khó. Ở Việt Nam, hầu như chưa có startup hay spinoff nào với công nghệ từ vật lý”.

Chắc hẳn, giờ đây một bậc trưởng lão giàu kinh nghiệm (và từng thất bại với sản phẩm kính hiển vi điện tử quét đầu dò do mấy chục năm trước, thị trường Việt Nam chưa sẵn sàng) như giáo sư Trần Xuân Hoài sẽ cười khà khà và hài lòng chấp nhận phần sai trong nhận định. “Sóng sau đè sóng trước”, gia đình vật lý Việt Nam có phúc là thế!

Bởi không sớm thì muộn, một spinoff Việt Nam với sản phẩm của tương lai sẽ chào đời!

 Nguồn: Báo Tia sáng