Thứ Hai, 29 tháng 6, 2026

Toto làm mâm cặp tĩnh điện

đầu năm 2026 quỹ phòng hộ Palliser Capital trụ sở London gửi thư cho doanh nghiệp Toto (Nhật Bản)
Toto có một phân nhánh gốm sứ (ceramic) cung cấp những mâm cặp (chuck) tĩnh điện (electrostatic) cho ngành bộ nhớ NAND 3-chiều

Morimura Bros
năm 1839 Ichizaemon Morimura sinh ra trong một hiệu buôn Edo bán dây đai da
thập niên 1850 Nhật Bản mở cửa và hiện đại hoá
năm 1855 động đất Tokyo huỷ hoại gia sản, khiến Ichizaemon Morimura sau đó vất vả trả nợ và mở cửa tiệm riêng
trong sự nghiệp của mình, Ichizaemon đầu tư vào mỏ đồng, thuỷ sản, tơ lụa, khí tài quân sự
năm 1876 Ichizaemon sáng lập công ty thương mại Morimura Group chuyên xuất nhập khẩu
tháng 11 năm 1876 em trai của Ichizaemon, Toyo Morimura cùng các cộng sự ở Đường số 6 (Manhattan) mở hiệu bán lẻ Hinode Shokai bán đồ lưu niệm Nhật Bản sau đó bán cả đồ sứ bàn ăn phong-cách-Phương-Tây được sản xuất tại Nhật Bản
bấy giờ, đồ sứ thủ công Châu Âu đắt hơn so với đồ gốm Morimura (bát, bình) bình dân, được quảng cáo ở Hoa Kỳ dưới tên thương hiệu Nippon China (sứ Nhật Bản)
bấy giờ Morimura đã tiếp cận được khách hàng trung lưu Hoa Kỳ thông qua catalog mua qua bưu điện (mail order) của chuỗi bán lẻ Sears, Roebuck and Company
năm 1882 Morimura Group chuyển hoàn toàn sang hình thức bán sỉ
em rể Magobei Okura và con trai Kazuchika Okura vào làm cho Morimura Group

Sứ trắng Amakusa Tojiki
thế kỷ 20 sứ trắng Châu Âu có những thương hiệu như gốm sứ hoàng gia Sèvres danh tiếng Pháp và sứ Dresden thủ công Đức
bấy giờ, sứ Nhật Bản có màu xanh-lam-ánh-xám (xanh khói) vách dày, không phù hợp làm đồ dùng bàn ăn
năm 1904 Morimura Group mở công ty con Nippon Toki Gomei Gaisha (đất sét nung Nhật Bản) viết tắt Noritake dưới quyền giám đốc Kazuchika Okura
Noritake xây dựng một nhà máy có một lò nung chuyên dụng (kiln) của hãng Kerabedarf GmbH (tên đầy đủ Keramische Bedarfs-Gesellschaft mbH) ở Đức, nung một hỗn hợp đất sét Châu Âu để sản xuất sứ trắng làm đồ dùng bàn ăn
không đủ hỗn hợp đất sét Châu Âu, Noritake thêm đá gốm Amakusa (mỏ Amakusa Toseki tỉnh Kumamoto) vào hỗn hợp
hàm lượng silica trong đá Amakusa quá cao đã khiến gốm bị biến dạng và sụp dáng (sag) trong lò kiln
Noritake khuấy thêm vào đất sét Gairome dẻo giàu-sắt, mặc dù giúp gốm trong lò kiln giữ được dáng nhưng làm mất màu trắng tinh
năm 1910 Noritake cử kỹ sư trưởng đến viện nghiên cứu đồ đất nung sở-hữu-nhà-nước ở Berlin
các nhà khoa học Đức nghiên cứu các hỗn hợp đất sét và đưa ra đề nghị cho cả hỗn hợp lẫn quy trình nung để khắc phục
năm 1913 Noritake trình làng sứ trắng
tháng 6 năm 1914 Noritake trình làng bộ đồ ăn sứ trắng
Thế chiến 1 làm dừng hoạt động xuất khẩu sứ Châu Âu sang Hoa Kỳ, giúp doanh số bộ chén đĩa Noritake xuất khẩu Hoa Kỳ tăng từ 2000 bộ năm 2014 lên đến 4 vạn bộ năm 2018

Suga Kogyo
thập niên 1850 hàng hoá Phương Tây tràn vào Nhật Bản trong đó có ẩm thực và nhà vệ sinh
nhà vệ sinh Nhật Bản cũ chỉ là túp lều gỗ với những hố trên mặt đất, gọi là "phân bắc" (night soil) sau đó sẽ được bán làm phân bón
những hố xí Nhật Bản cũ này tách biệt khỏi khu sinh hoạt, và bắt buộc phải ngồi xổm
năm 1901 ông nội dòng họ Suga mở cửa hàng chuyên thầu công trình đường ống nước Suga Shokai (Shokai nghĩa là "thương hội") tại Osaka
thế hệ lãnh đạo thứ hai Toyojiro Suga điều hành Suga Kogyo sản xuất bồn cầu "lai" giữa bồn cầu xả nước Phương Tây và truyền thống Nhật Bản

Gốm sứ Seto-yaki
thành Seto tỉnh Aichi là vùng duy nhất trong Lục Đại Cổ Diêu (Six Ancient Kilns) - 6 vùng lò nung Nhật Bản phát triển liên tục suốt hơn 1000 năm qua - đã tiên phong kỹ thuật tráng men
gốm sứ đạt yêu cầu sẽ không được phép rò rỉ, đủ sức mạnh và không được oằn để có thể làm gãy kết nối với những đường ống kim loại ở dưới sàn
bề mặt sứ phải dễ rửa bằng nhiều hoá chất và vật liệu, bồn cầu sứ không thể hấp thụ nước
về mặt sản xuất, sứ phải dễ đúc khuôn thành một khối
thế kỷ 19 những hãng bồn cầu Anh như Jennings và Twyford không sản xuất bồn cầu sứ, mà từ gốm đất nung (earthenware)
năm 1902 Nhật Bản nâng cấp lò kiln từ đốt gỗ sang đốt than, nhờ đó đã sản xuất được đồ dùng bàn ăn earthenware

Tạo hình bằng tay từ phiến đất sét với khuôn thạch cao (kỹ thuật te-okoshi)
năm 1912 Kazuchika Okura đề nghị Morimura Group sản xuất bồn cầu, trong khi Morimura đang hoàn thiện dòng sản phẩm sứ trắng
Kazuchika Okura và cha đã bỏ tiền túi ra đầu tư một phòng thí nghiệm nhỏ dưới tên doanh nghiệp Noritake nghiên cứu kỹ thuật sản xuất bồn cầu và bồn rửa mặt
bồn vệ sinh quá nhiều đường cong, trong qúa trình sản xuất sẽ khiến đất sét mắc kẹt hoặc sụp dáng bởi sức nặng của chính nó
với kỹ thuật te-okoshi du nhập từ Phương Tây, nghệ nhân Nhật Bản lấy tay nhấn một dải đất sét phẳng tatara (tatara board) xuống một khuôn gỗ, để được một bề dày đồng nhất, đồng thời ép hết các bong bóng khí
phòng thí nghiệm Noritake đã thử 17280 lần nung để đạt được hỗn hợp đất sét, tráng men, khuôn
sau rốt Noritake mua những khuôn Hoa Kỳ
năm 1914 Noritake trình làng dây chuyền sản xuất bồn cầu Nhật Bản đầu tiên

Gốm sứ Đông Dương
năm 1917 Kazuchika Okura khánh thành nhà máy sứ trên đảo Kyushu nhiều than
năm 1918 Morimura Group lập ra công ty con Toyo Toki quản lý nhà máy và chào bán sứ nhà vệ sinh và đồ sứ bàn ăn
cơ sở sản xuất chính của TOTO đặt ở thành Kokura trên đảo Kyushu, nay có cả một bảo tàng TOTO
năm 2018 kỷ niệm 100 năm thành lập, TOTO xuất bản quyển sách 822 trang

Đúc trượt
thạch cao có khả năng hút nước, từ đó người ta đã thiết kế quy trình "đúc trượt" (slip cast) như sau
bước 1 chuẩn bị "bùn lỏng" (slip) trộn đất sét, bột đá (sứ), nước, chất phụ gia
bước 2 rót vô khuôn thạch cao, rỗng ở trong
bước 3 thạch cao hút nước từ "bùn lỏng" để lại những hạt đất sét cô đặc và dính vào thành khuôn, tạo nên một "lớp da" gốm
bước 4 đổ bùn thừa, khi độ dày "lớp da" đạt yêu cầu
bước 5 đợi "lớp da" khô, rồi nhấc "lớp da" gốm ra khỏi khuôn và đem nung
"đúc trượt" vẫn sản xuất đồ dùng bàn ăn, nhưng bồn cầu to hơn sẽ khó làm hơn, vì ở bước 5 thì "lớp da" sẽ thu nhỏ 3% khi để khô và thêm 10% nữa khi nung... nghệ nhân sẽ tính toán và chủ động thêm "biến dạng ngược" (distortion) vào lòng khuôn để bù đắp cho quá trình co ngót
năm 1920 TOTO nghiên cứu thành công hỗn hợp đất sét sẽ không biến dạng và làm vỡ khuôn trong khi để "lớp da" khô

Đại suy thoái
năm 1930 đạo luật thuế quan Smoot-Hawley nâng thuế quan TOTO ở thị trường đồ dùng bàn ăn Hoa Kỳ
11 giờ 58 phút trưa ngày 1 tháng 9 năm 1923 đại thảm hoạ động đất Kanto phá huỷ mạng lưới đường ống nước sành và kim loại giòn Tokyo khiến lính cứu hoả đừng nhìn lửa thiêu rụi thành phố suốt 2 ngày đêm
năm 1924 ban hành Đạo luật Xây dựng Đô thị sửa đổi (Urban Building Law) quy định các toà nhà bê tông cốt thép xây dựng một trục hộp kỹ thuật đứng tập trung: tất cả hệ thống dây điện, ống cấp nước, ống thoát nước trung tâm đều chạy dọc trong trục này... nếu một phân đoạn ống bị rò rỉ, kỹ sư có thể tiếp cận và thay thế ngay lập tức mà không cần phải đập phá kết cấu chịu lực của tòa nhà
năm 1923-1924 ngay sau động đất Kanto, TOTO nhận thầu toà nhà văn phòng Marunouchi lớn nhất Châu Á
tháng 9 năm 1931 Nhật Bản dựng nên Mãn Châu Quốc, TOTO thành lập các đại lý, văn phòng và mạng lưới phân phối ở những thành phố lớn Mãn Châu như Đại Liên và Thẩm Dương để bao tiêu thị trường bồn cầu
thập niên 1930 bồn cầu xí bệt, bồn sứ trắng rửa mặt [porcelain] được lắp ở dinh thự bộ máy cai trị Nhật Bản, tòa nhà chính phủ Mãn Châu, các khách sạn Yamato của ngành đường sắt Nam Mãn Châu và các bệnh viện dã chiến của Quân đội Quan Đông đều là sản phẩm độc quyền TOTO vận chuyển từ các lò nung [kiln]
bấy giờ, dòng bồn cầu xả nước mã C2 (thành quả hợp tác giữa TOTO và công ty ống nước Suga Kogyo) được sản xuất hàng loạt bằng phương pháp đúc khuôn áp lực [slip cast] để xuất khẩu ồ ạt sang Mãn Châu
có năm, lên đến 60% doanh thu TOTO có được từ Mãn Châu

Fat Man
thế chiến 2 đóng cửa thị trường xuất khẩu, nhà máy TOTO được chuyển đổi mục đích sử dụng sang sản xuất vũ khí và thay thế chi tiết kim loại bằng vật liệu gốm sứ
10% nhân lực nam vào quân ngũ, chính phủ Nhật Bản tối ưu hoá nguyên vòng vật tư [rationalize material]
cơ sở TOTO ở thành Kokura được chuyển đổi sang nhà máy vũ khí, ở gần một kho vũ khí
tháng 8 năm 1945 Kokura bị ngắm mục tiêu cho quả bom nguyên tử thứ 2
hôm ấy, mây mù cùng với khói từ bom lửa ở thành phố Yawata đã cản tầm nhìn, máy bay đã lượn qua Kokura 3 lần trước khi đổi mục tiêu sang Nagasaki

Phụ kiện bằng kim loại
năm 1946 TOTO thành lập mảng sản xuất phụ kiện kim loại và vòi nước (Metal Fittings & Faucets)
lực lượng chiếm đóng Mỹ tiếp quản nhiều toà nhà và yêu cầu tái thiết đường ống và bồn cầu xả nước kiểu-Tây
TOTO nói: "nếu bồn cầu là chiếc ô tô, sứ là phần thân, phụ kiện kim loại là động cơ"
miêu tả trên cũng đúng với tất cả đồ sứ phòng tắm khác như bồn rửa mặt, củ sen (lõi van), vòi nước, bồn tắm
các hãng bồn cầu Hoa Kỳ thường thiết kế và chào bán cả sứ nhà tắm lẫn phụ kiện kim loại
trước Thế chiến, TOTO mua ngoài phụ kiện kim loại Janson vì Kazuchika Okura không tự tin vào kỹ năng kim loại của công ty, và phần lớn nhu cầu trước-chiến-tranh là bồn cầu kiểu-Nhật không-xả-nước
giữa thập niên 1960 TOTO chiếm 47% thị phần vòi nước và phụ kiện ống thải, và chiếm 60% thị phần bồn cầu
năm 2001 công ty con INAX rời bỏ Morimura Group đã dẫn đến kiện tụng
thập niên 1970 Morimura Group bỏ thị trường đồ dùng bàn ăn

Vòi rửa vùng kín
từ năm 1960 đến 1964 đầu tư xây dựng Nhật Bản tăng gấp 5 lần khi Tokyo đô thị hoá cho kỳ Thế vận hội
TOTO trình làng "phòng tắm đơn vị" [unit bathroom] được làm sẵn ở nhà máy và chỉ việc vận chuyển đến công trường để lắp đặt
thập niên 1950 TOTO trình làng gạch thạch anh (porcelain tile) và nhựa, cùng với sản phẩm "bồn tiểu đứng cho nữ" Sunny-stand
năm 1964 TOTO mua giấy phép và nhập khẩu vòi rửa vùng kín American Bidet Company là một nắp bồn cầu tháo rời được (detachable toilet seat) có một vòi rửa phun tia nước và không khí, được TOTO đặt tên "Wash Air Seat"
tác giả Shusaku Endo sách Silence cũng đã viết đánh giá Wash Air Seat: "một tia nước nóng đã phun vào vùng kín của tôi. Nước rất nóng, tôi sẽ không bao giờ dùng lại"
đến năm 1979 bị các tạp chí Nhật Bản từ chối đăng quảng cáo, TOTO chỉ bán được 500 bồn American Bidet Company mỗi tháng, chủ yếu cho bệnh viện và nhà dưỡng lão
năm 1967 INAX chào bán Sanitariina 61 cần một bàn đạp chân (foot pedal) đặt dưới sàn để kích hoạt chức năng phun nước rửa và phun khí sấy khô

Tận dụng nguồn lực từ đám đông
đội ngũ phát triển TOTO tận dụng nguồn lực từ đám đông [crowdsource] dữ liệu giải phẫu học: phát triển một nắp thử nghiệm có một dây căng giữa, một người sẽ ngồi lên, một nhân viên sẽ đo vị trí vùng kín ở trên dây, kết quả sẽ là phân phối của các điểm dữ liệu (distribution of data points)
mới đầu TOTO xin phép và khảo sát 300 nhân viên công ty để đo lường giải phẫu học vùng kín (proctological anatomy) và hỏi xem nhiệt độ ưa thích
cấu hình [specification] sản phẩm cuối cùng đã rất cụ thể: nắp bồn cầu 36 độ C, nhiệt độ nước 38 độ C, công suất vòi phun 500 cm khối nước/phút tạo nên góc 43 độ so với mặt phẳng ngang, và vòi phun khí sấy tạo góc 50 độ so với mặt phẳng ngang
Wash Air Seat giữ nhiệt độ nhờ "thanh lưỡng kim" (bimetallic strip) tự động cong khi nhiệt độ thay đổi, làm một công tắc tự động bật/tắt dòng điện dựa vào nhiệt độ, đã được dùng trong máy nướng bánh (toaster)
nếu "thanh lưỡng kim" gặp trục trắc, "thanh lưỡng kim" có thể bị mắc kẹt, dẫn đến 1 tia nước nóng phun vào vùng kín
lý tưởng là thay thế thiết kế cơ học "thanh lưỡng kim" bằng một thiết kế điện tử có IC (integrated circuit) và cảm biến, trong đó IC và bo mạch sẽ phải kháng nước và kháng muối có trong nước tiểu
một kỹ sư TOTO bắt gặp đèn giao thông hoạt động ngoài trời mưa gió, và cho rằng IC điều khiển đèn cũng có thể kháng nước bồn cầu
TOTO tìm đến hãng sản xuất đèn giao thông và thiết lập một liên doanh "bọc" (encapsulate) chip bằng nhựa resin EMC (epoxy molding compound)

Nắp bồn cầu Washlet
tháng 6 năm 1980 TOTO mở bán Washlet với khẩu hiệu: "từ bây giờ, sẽ là một kỷ nguyên rửa mông. Hãy rửa nào"
TOTO chỉnh sửa thiết kế Washlet để thiết bị cần một thợ ống nước lắp đằt, và nhấn mạnh với các thợ ống nước rằng các thợ sẽ kiếm được nhiều tiền hơn nếu bán Washlet giá 1000 USD so với bồn cầu 400 USD cũ
năm 1982 lần đầu tiên TOTO quảng cáo Washlet trên truyền hình, bởi cùng một đội ngũ quảng cáo đã làm với Sony Walkman, với một trong những khẩu hiệu quảng cáo đã tuyên bố "người Nhật Bản có vùng kín sạch nhất thế giới"
quảng cáo Washlet có góp mặt của ca sĩ Jun Togawa nói rằng "các bạn nên rửa vùng kín giống như rửa tay" đã lên sóng truyền hình lúc 7 giờ tối
TOTO cũng có những xe van trình diễn được-đặt-làm-riêng (custom demonstration van) cho khách thử Washlet, và mở khuyến mãi lắp đặt ở nhà hàng, cửa hiệu và sân golf
năm 1987 TOTO bán được 1 triệu Washlet
năm 1988 TOTO thêm tính năng cho Washlet
đến nay, sau 25 năm TOTO đã bán được 20 triệu Washlet, đã được trang bị tính năng "xả xoáy" (tornado flush)

Băng tải khí động
lần đầu tiên TOTO tiếp cận ngành bán dẫn ở 3 công cụ đo lường chính xác: thứ nhất là "air slide" sản sinh một lớp khí nén đỡ tải
thứ hai là máy đo toạ độ 3D có trục dẫn hướng bằng gốm (ceramic guide shaft coordinate measuring machine)
cuối cùng là bàn trượt tuyến tính 2-trục XY (XY 2-axis table)
3 công cụ này đã rất được ưa chuộng ở những viện nghiên cứu và hãng sản xuất thiết bị bán dẫn

Nền gốm
nền gốm (ceramic substrate) là tấm cách điện, nơi đặt lên những bóng bán dẫn, chip điện tử, điện trở...
TOTO sử dụng nền gốm để sản xuất IC "lai" có nhiều IC và thiết bị được đặt trên cùng một nền và được nối liên thông [interconnect], và IC "lai" này được lắp cho Washlet
TOTO cũng sản xuất những đóng gói bán dẫn tiêu chuẩn, bằng gốm, chứ không phải nhựa resin được làm bởi doanh nghiệp khác
năm 1990 TOTO rút lui khỏi mảng đóng gói bán dẫn, vì lý do chi phí
tháng 12 năm 1984 TOTO thành lập phân nhánh gốm kỹ thuật (fine ceramic) ngày nay gọi là Advanced Ceramics division đang sản xuất những mâm cặp

Nippon Telegraph and Telephone Corporation
năm 1984 phòng thí nghiệm NTT tìm viện nghiên cứu TOTO đặt đơn mâm cặp (chuck)
"chuck" là một từ tiếng Scotland hoặc miền trung nước Anh, miêu tả một linh kiện trong máy tiện hoặc máy khoan, làm nhiệm vụ "cố định" [affix] chi tiết gia công
bấy giờ NTT phát triển máy in thạch bản chùm điện tử, để viết thiết kế chip lên tấm wafer, giống như cách thức một ống âm cực vẽ ảnh lên màn CRT
chuck cơ học đã kẹp chặt [clamp] tấm wafer, rủi ro cào xước wafer
một lựa chọn khác là chuck chân không, nhưng máy in thạch bản chùm điện tử cũng cần môi trường chân không, không để những hạt tạp chất làm phân tán electron; nếu không có áp suất không khí bên ngoài, chuck chân không sẽ không thể kẹp wafer
lựa chọn khác nữa là chuck dựa vào lực tĩnh điện, thứ cho phép một quả bóng bay đã-được-xạc-tĩnh-điện hút được một mảnh giấy nhỏ; ngành in đang sử dụng lực tĩnh điện để giữ cho giấy phẳng trên một bề mặt phẳng khi in
NTT muốn TOTO sản xuất một chuck có lực tĩnh điện 1 kg/cm vuông, và công việc đã được giao cho nghiên cứu sinh Toshiya Watanabe

Mâm cặp gốm
năm 2025 đăng trên tạp chí Hiệp hội Luật sư Bằng sáng chế Nhật Bản, Toshiya Watanabe nhớ lại rằng đã cho rằng NTT đang đưa ra một nhiệm vụ bất khả thi
tất cả chuck tĩnh điện được làm từ một đĩa gốm điện môi (giống như puck trong bộ môn khúc côn cầu) và một lớp điện cực bên dưới
sau khi wafer được đặt lên chuck, kích hoạt điện cực bằng một điện áp 1-chiều, tạo ra lực tĩnh điện sẽ cố định wafer trên chuck
mới đầu Toshiya Watanabe cho rằng chuck hoạt động theo định luật Coulomb về lực hút tĩnh điện
một tụ điện đĩa-song-song được đặt giữa điện cực, puck và wafer... tạo nên những điện tích trái dấu ở 2 phía điện môi
sức mạnh của lực tĩnh điện sẽ tuỳ thuộc bề dày của puck và vật liệu - puck phải làm từ một vật liệu cách điện tốt để điện không rò rỉ qua
Toshiya Watanabe tính rằng để đạt yêu cầu NTT về lực tĩnh điện 1 kg/cm vuông thì chiều dày puck phải mỏng một cách bất khả thi
hỏi các nhà khoa học NTT, Toshiya Watanabe nhận lời đáp rằng NTT đang nghĩ đến sử dụng hiệu ứng Johnsen-Rahbek theo tên 2 nhà khoa học Đan Mạch phát hiện thập niên 1920
NTT muốn cho puck một ít điện trở, cho phép một dòng điện rất nhỏ rò rỉ qua, chạm đến bề mặt tiếp xúc wafer, biến bề mặt giao diện puck trở thành một điện cực nằm cách wafer chỉ vài micromet, từ đó sẽ có 2 điện tích trái dấu rất gần nhau và tạo nên một lực kẹp (clamp)
từ cuối thập niên 1950 IBM đã nghiên cứu những phiên bản của hiệu ứng JR
đội ngũ Toshiya Watanabe pha tạp gốm chứa-nhôm với một số chất pha tạp (dopant) như titani ôxit với nhiều liều lượng khác nhau, cho đến khi có được công thức đạt kết quả mong muốn

Etch
in thạch bản chùm electron đã thua kém in thạch bản tia cực tím về mặt "thông lượng" [throughput]
TOTO chuyển sang chuck lắp cho máy etch plasma
bên trong một khoang etch, môi trường khắc nghiệt hơn nhiều so với máy in chùm electron
với hiệu ứng JR, lực bẫy [trapped force] trên bề mặt chuck có thể tạo ra lực bám dính dư [residual stickiness] làm khó cho việc "buông" [de-clamp] wafer
Toshiya Watanabe nhớ rằng đã phải trả lời những phàn nàn từ một khách sộp ở Osaka khi chuck gãy bên trong một khoang plasma, làm dừng toàn bộ dây chuyền sản xuất, và mất Toshiya Watanabe nửa năm tìm hiểu và khắc phục nguyên nhân gốc rễ đã làm gãy
năm 1988 TOTO trình làng chuck, và cả yield lẫn doanh số đã đều tăng ở những năm tiếp sau
thập niên 1990 chuck là một trong 3 sản phẩm hàng đầu của phân nhánh Advanced Ceramics
ngày nay, quỹ phòng hộ Palliser Capital trụ sở London đánh giá chuck đóng góp 30-50% lợi nhuận hoạt động TOTO

Lam Research
quỹ Palliser Capital cũng lưu ý rằng TOTO là nhà cung cấp chuck cho những quy trình etch lạnh (cryogenic) tại Lam Research
bộ nhớ 3D NAND có nhiều ô nhớ [cell] được sản xuất cùng lúc trên những chồng stack
trước hết, người ta lắng đọng hàng chục lớp điện môi trên một nền [substrate] rồi "in mẫu" [pattern] những lớp ấy, rồi etch những kênh hoặc hố qua những lớp ấy
cái khó của việc etch là phải đảm bảo sao cho etch sâu và thẳng, với những bức vách mượt mà, trong khi stack càng nhiều lớp càng khó làm
bộ nhớ 3D NAND hiện đại có thể có những hố rộng 100 nanomet và sâu 10 micromet
những phương pháp sẵn có có thể để lại những vấn đề như "phình" ra ở giữa [bowing], ăn mòn chưa tới (incompleted etch), lệch hướng lệch tâm (twisting)
thập niên 1980 Lam Research đã nghiên cứu "ăn mòn" (etch) lạnh ở nhiệt độ dưới âm 70 độ C nhưng ngày nay mới đưa ra thị trường khi 3D NAND được săn đón

Thứ Hai, 22 tháng 6, 2026

Bộ nhớ "nhúng"

Bộ nhớ chỉ-đọc xoá-được lập-trình-được
thập niên 1980 có 3 loại bộ nhớ SRAM, DRAM và EEPROM [electrically erasable programmable read-only memory]
thập niên 1990 những node quy trình sản xuất bộ nhớ flash khác với node quy trình sản xuất DRAM
DRAM chuyển từ sử dụng những tụ điện "phẳng" sang những tụ điện "dọc" được xếp chồng lên trên hoặc lót dưới những bóng bán dẫn "truy cập"
EEPROM được nâng cấp lên thành những bộ nhớ flash là NOR và NAND, rồi NAND "phẳng" được nâng cấp tiếp lên thành 3D NAND

Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên "tĩnh"
SRAM sử dụng bóng bán dẫn để lưu trữ bit dữ liệu, cho nên được sản xuất cùng với phần còn lại của chip logic mà không cần thêm mặt nạ quang khác
cuối thập niên 1980 các hãng CPU thêm SRAM "nhúng" vào chip logic dưới tên gọi "bộ nhớ cache"
thiết kế "ô nhớ" [cell] SRAM phổ biến nhất sử dụng 6 bóng bán dẫn, so với DRAM chỉ 1 bóng bán dẫn 1 tụ điện
các xưởng đúc [fab] đã tối ưu SRAM đến mức, khi quảng cáo node quy trình, fab sẽ nhắc đến con số mật độ SRAM
ví dụ TSMC tuyên bố node quy trình N2 có thể nhét thêm SRAM lên "khuôn" [die]
giữa thập niên 2000 một số CPU hiệu-năng-cao có 70% toàn bộ "khuôn" [die] chỉ là SRAM

eDRAM
chỉ 1 bóng bán dẫn 1 tụ điện, DRAM nhỏ hơn SRAM với 6 bóng bán dẫn, cho nên có thể "nhúng" nhiều DRAM vào bộ xử lý trung tâm [central processing unit] hơn SRAM
bất chấp việc định kỳ "làm mới" eDRAM [embedded dynamic random-access memory] giống như DRAM, nhưng eDRAM chỉ tiêu thụ bằng 1/3 điện năng SRAM tiêu thụ
ngày nay node quy trình sản xuất chip logic rất khác node quy trình sản xuất bộ nhớ, sản xuất eDRAM thêm 4-6 mặt nạ [photomask] vào quy trình
thị trường eDRAM từng rất lớn khi sử dụng cho Xbox 360

eFlash
giống như SRAM thì eDRAM cũng "không bền" [volatile] sẽ mất dữ liệu khi ngắt điện, khác với eFlash [embedded flash] là một bộ nhớ NOR nối nhiều "ô nhớ" bóng bán dẫn "phẳng" được gắn với 1 cổng nổi [floating gate]
electron bị ép vào "cổng nổi" qua 1 ôxit, làm tăng ngưỡng điện áp của bóng bán dẫn
NOR được thiết kế để chỉ truy cập 1 "ô nhớ" tại 1 thời điểm, đánh đổi là mật độ thấp hơn
với NAND, chuỗi 16-128 "ô nhớ" được nối liền, nguồn "ô nhớ" này nối với máng "ô nhớ" sau, giúp tăng mật độ "ô nhớ" nhưng không "truy cập ngẫu nhiên" nữa, người dùng chỉ có thể thao túng dữ liệu theo "khối" [block] hoặc hàng [page]
lập trình hoặc xoá một mạng những "ô nhớ" bóng bán dẫn "phẳng" eFlash (được gắn 1 cổng nổi) tiêu thụ 9-18 volt điện áp, mới đủ sức ép electron ra vào "cổng nổi"
trong khi 1 bóng bán dẫn logic tiêu chuẩn chỉ chạy ở mức điện áp 1 volt
để bảo vệ những bóng bán dẫn logic lân cận không bị nướng cháy, eFlash cần những rãnh sâu cô lập, hoặc được harden thế nào đấy
NAND nhiều "ô nhớ" được nối liền, cần mức điện áp cao hơn cả NOR nếu lập trình hoặc xoá
eFlash là NOR nên không thể mật độ cao như NAND và cũng không viết nhanh bằng SRAM hay DRAM
bộ nhớ eFlash sẽ hư hỏng sau một số chu kỳ viết
cao hơn eDRAM, sản xuất eFlash cần thêm những bước 6-8 mặt nạ
ngày nay eFlash lưu mã nguồn và dữ liệu chương trình ở những chip vi điều khiển MCU [microcontroller]
thị trường MCU eFlash được xếp hạng nhì trên thị trường bộ nhớ "nhúng" nói chung, chỉ sau SRAM
ngày nay eFlash cũng được tìm thấy ở thiết bị AI đầu cuối [edge] và ứng dụng trung tâm dữ liệu

Giới hạn tăng-quy-mô/thu-nhỏ
28 nanomet là giới hạn scaling của eFlash
tăng quy mô eFlash cần thu nhỏ bóng bán dẫn và tăng mật độ, trong khi 28 nanomet là node quy trình "phẳng" cuối cùng
bên cạnh những vấn đề "phẳng" giống như chip logic, vấn đề khác với eFlash ở node quy trình 28 nanomet là những "ô nhớ" nhỏ đến nỗi "cổng nổi" chứa 100 electron giữ ngưỡng 1 volt, tức là chỉ cần một ít electron rò rỉ qua là cũng đủ gây ra thoái hoá đáng kể; những lớp ôxit hầm đã quá mỏng
các hãng NAND chuyển sang 3D NAND, theo đó đã nới lỏng những yêu cầu kỹ thuật "cổng nổi" với việc tăng kích thước từ 28 lên thành 40 nanomet, và đã xếp chồng những "cổng nổi" để tăng dung lượng
nhưng 3D NAND không thể làm 1 lộ trình kỹ thuật [technical pathway] hợp lệ cho eFlash, và cũng không khả thi kinh tế cho các nhà thiết kế chip thêm đến 10 mặt nạ [photomask] để sản xuất 1 kiểu bóng bán dẫn khác hoàn toàn trên chip
các nhà sản xuất MCU gốc [original equipment manufacturer] và sản phẩm eFlash khác đã quay lại với những bộ nhớ rời rạc

Magnetoresistive
DRAM và eFlash mã hoá bit bằng cách trữ 1 điện tích,
bộ nhớ truy-cập-ngẫu-nhiên từ điện trở MRAM mã hoá bit bằng cách thao túng mức điện trở
ô nhớ MRAM bao gồm 1 bóng bán dẫn truy cập, và 1 khoảng tiếp giáp đường hầm từ tính MTJ [magnectic tunnel junction]
MTJ gồm 3 lớp: 1 lớp cố định (tham chiếu) làm bằng vật liệu sắt từ [ferromagnet] chiều từ tính được ghim chặt, cố định theo 1 hướng và không thay đổi theo chiều từ trường thông thường
1 lớp cách điện (kẹp giữa) thường làm bằng ôxit magie, mỏng chỉ 1-2 nanomet đến nỗi electron có thể "xuyên hầm lượng tử" qua
1 lớp tự do (trên cùng) làm bằng vật liệu sắt từ, nhưng có chiều từ tính có thể đảo chiều khi có dòng điện phân cực hoặc từ trường tác động
vật liệu sắt từ ở đây thường là hợp kim cobalt-sắt-boron, tuỳ theo phiên bản MTJ mà sẽ có 1 hoặc nhiều lớp cố định
1 dòng điện bên ngoài sẽ "định hướng" chiều từ tính của lớp tự do, tham chiếu đến lớp cố định
nếu từ tính 2 lớp sắt từ đang song song, điện trở MTJ thấp, cho electron qua
nếu từ tính 2 lớp sắt từ đang không song song, điện trở MTJ cao
MRAM mã hoá bit bằng cách: gửi 1 dòng điện vào MTJ rồi so sánh kết quả với 1 mức tham chiếu

MRAM chuyển mạch toggle
thập niên 1980 xuất hiện MRAM chuyển-mạch-bằng-từ-trường [field-switched] sử dụng từ trường để viết lên MTJ tức là để sắp đặt lớp tự do
từ trường được tạo ra bằng cách cho 1 dòng điện qua 1 dây dẫn, chuyển-mạch bằng hiệu ứng gián tiếp... giống như cách viết dữ liệu vào bộ nhớ lõi sắt [ferrite core]
từ trường phải đủ mạnh để lật trạng thái từ tính của MTJ, nếu MTJ càng nhỏ, nhiễu nhiệt càng dễ lật bit
ví dụ ổ đĩa cứng [hard disk drive] có 1 giới hạn siêu thuận từ [superparamagnetic limit] là giới hạn kích thước "hạt từ tính" [grain] nếu nhỏ hơn nữa thì bit sẽ dễ bị lật ở nhiệt độ phòng
các kỹ sư đã thử tăng giới hạn "lật" nhưng nhược điểm là cần 1 từ trường mạnh hơn nếu muốn bật/tắt bit, nếu MTJ nhỏ thì sẽ khó điều khiển từ trường ấy hơn

Bộ nhớ truy-cập-ngẫu-nhiên từ-điện-trở mô-men quay truyền-spin
thập niên 1990 field-switched MRAM bị thay thế bởi STT-MRAM [spin-transfer torque magnetoresistive random-access memory]
thay vì từ trường "lật" bit, STT-MRAM gửi dòng điện qua MTJ vào lớp tự do và trực tiếp "lật" bit
STT-MRAM bền [non-volatile] tức là không mất dữ liệu nếu ngắt điện, không cần liên tục được "làm mới", tiết kiệm không gian (chỉ có MTJ và 1 bóng bán dẫn truy cập)
ở node quy trình 5 nanomet, một STT-MRAM giảm kích thước 43% so với SRAM
mặc dù "bền" [non-volatile], viết lên STT-MRAM mất 10 nano giây, đã nhanh bằng DRAM trong khi flash mất 20-100 micro giây, trong khi STT-DRAM qua được nhiều chu kỳ viết mà không hư hỏng như flash

Oxy hoá cục bộ silic
kỹ thuật mà nói [technically], công nghệ sản xuất STT-MRAM tương thích CMOS, nhưng khó đúc [fab] 15-20 lớp stack kim loại và điện môi
lớp ôxit cách điện chỉ dày 1-2 nanomet, những vấn đề thường xảy ra ở công đoạn etch hoặc sau-etch khi ôxy va chạm vào lớp cách điện, tạo nên "mỏ chim" [bird's beak]
rồi những vấn đề với đáy điểm tiếp xúc điện cực [bottom electrode contact] nối MTJ với những dây kim loại, độ gồ ghề trên điểm tiếp xúc sẽ tạo ra những lớp MTJ cũng gồ ghề, tạo ra "lớp tự do" sẽ "đồng bộ" từ tính với lớp tham chiếu, khó phân biệt mức điện trở của MTJ hơn
ở những node quy trình 3 và 5 nanomet, STT-MRAM nhỏ đến nỗi, cần 1 dòng điện đủ mạnh để viết lên và tránh hiện tượng nhiệt làm "lật" bit, nhưng bóng bán dẫn nhỏ đến 3 và 5 nanomet sẽ quá mong manh cho dòng điện đi qua dễ dàng

RAM điện trở
một số kiểu "ô nhớ" ReRAM, thông dụng nhất là ReRAM "sợi dẫn" cũng có 2 điện cực kim loại và 1 lớp ôxit cách điện ở giữa
ôxit thường là hafni, tantal, titani... đang có những nghiên cứu những vật liệu 2D
điện cực có thể là titani, planin
ReRAM bật/tắt giữa 2 trạng thái điện trở thấp/cao bằng cách "Set" hoặc "Reset" một sợi dây dẫn [filament] đâu đó 10*10 nanomet kết nối 2 điện cực, bằng cách áp 1 điện thế hoặc 1 dòng điện vào 2 điện cực

RAM chuyển pha
PCRAM [phase change RAM] sử dụng nhiệt để "lật" một kính chalcogenide giữa 2 pha vô-định-hình [amorphous] và tinh-thể [crystalline]
sản xuất ReRAM "nhúng" cần những bước ít mặt nạ quang hơn những bộ nhớ "bền" [non-volatile] "nhúng" khác
ReRAM gặp một số vấn đề "biến số" [variability] và độ bền ghi xoá [endurance]: tiến trình Set và Reset xảy ra ngẫu nhiên
từ năm 2005 đến 2015 ReRAM là ứng viên sáng giá thay thế NAND 2D nhưng rồi NAND 3D thắng thế thương mại, bất chấp những đề nghị "xếp chồng" ReRAM
tại Israel, doanh nghiệp Weebit Nano đã hoạt động 10 năm nay và xuất hiện trong nhiều báo cáo nghiên cứu, cấp phép ReRAM cho khách hàng làm sản phẩm được bán cho người dùng cuối
TSMC xuất bản một số công trình nghiên cứu ReRAM nhưng ít hơn nhiều so với MRAM, đưa 2 công nghệ này làm ứng viên thay thế eFlash nhất là ở lĩnh vực chip vi điều khiển
PCRAM và FeRAM ít cơ hội hơn
STT-MRAM mở ra cơ hội tránh né "nút thắt cổ chai Von Neumann" và thực hiện tác vụ suy luận AI ngay trên thiết bị đầu cuối với mức điện tiêu thụ thấp và độ trễ thấp, thậm chí sử dụng những nguyên tắc "điện toán mô phỏng thần kinh" [neuromophic] để suy luận AI (thêm nhu cầu ReRAM)