6 phút đọc
Xuất phát từ yêu cầu thu nhỏ hệ thống ghi hình cho tàu vũ trụ vào thập niên 1990, công nghệ cảm biến ảnh CMOS do các nhà khoa học NASA phát triển đã vượt qua nghi ngại ban đầu để trở thành nền tảng cho ngành điện tử tiêu dùng, hiện diện trên khoảng 7 tỷ thiết bị mỗi năm.
Tối ưu cho không gian với kiến trúc “camera trên một chip”
Vào thập niên 1990, Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) triển khai định hướng “nhanh hơn, tốt hơn, rẻ hơn” nhằm cắt giảm chi phí và rút ngắn thời gian phát triển các sứ mệnh không gian. Bài toán đặt ra cho nhà khoa học Eric Fossum cùng các đồng nghiệp tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JPL) là phải tìm cách thu nhỏ hệ thống camera cho tàu vũ trụ mà vẫn bảo đảm chất lượng hình ảnh.
Với các thiết bị hoạt động cách Trái Đất hàng triệu kilomet, camera bắt buộc phải gọn nhẹ, tiêu thụ ít điện năng và vận hành ổn định trong môi trường khắc nghiệt, nơi việc sửa chữa gần như bất khả thi sau khi tàu được phóng đi.
Thời điểm đó, cảm biến CCD là lựa chọn phổ biến trong các hệ thống ghi hình chất lượng cao. Tuy nhiên, kiến trúc CCD đòi hỏi cơ chế chuyển điện tích và mạch đọc tín hiệu riêng biệt, khiến việc thu nhỏ kích thước và hạ mức tiêu thụ năng lượng gặp nhiều khó khăn.
Nhận thấy tiềm năng từ công nghệ Bán dẫn oxit kim loại bù (CMOS) vốn phổ biến trong chế tạo vi mạch bán dẫn, Eric Fossum đã tìm hướng đi mới. Dù ý tưởng dùng CMOS để ghi nhận hình ảnh từng gặp vấn đề nhiễu tín hiệu, ông cùng nhóm nghiên cứu tại JPL đã phát triển thành công kiến trúc CMOS điểm ảnh chủ động (CMOS active-pixel sensor).
Nhóm nghiên cứu tích hợp trực tiếp bóng bán dẫn khuếch đại tín hiệu vào từng điểm ảnh, đồng thời ứng dụng kỹ thuật lấy mẫu tương quan kép để giảm nhiễu và cải thiện chất lượng hình ảnh. Kiến trúc này cho phép đưa nhiều chức năng điều khiển và xử lý hình ảnh lên cùng một chip bán dẫn, đặt nền tảng cho hướng thiết kế “camera-on-a-chip”. Nhờ sử dụng quy trình sản xuất bán dẫn tương tự các vi mạch khác, cảm biến CMOS không chỉ tiêu thụ ít năng lượng hơn CCD mà còn có tiềm năng sản xuất quy mô lớn với chi phí thấp.
Hành trình vượt “thung lũng chết” để thương mại hóa
Dù sở hữu tiềm năng lớn, công nghệ cảm biến ảnh CMOS vẫn phải trải qua giai đoạn vượt “thung lũng chết” – thuật ngữ chỉ rào cản đưa một nghiên cứu từ phòng thí nghiệm ra thị trường tiêu dùng. Năm 1993, khi Fossum giới thiệu kết quả nghiên cứu, ngành công nghiệp hình ảnh số đón nhận với sự hoài nghi do những thất bại trước đó của công nghệ CMOS cũ so với vị thế vững chắc của CCD.
Sự hoài nghi bắt đầu giảm bớt vào năm 1994 khi Schick Technologies – doanh nghiệp phát triển thiết bị X-quang nha khoa do David Schick sáng lập – chủ động liên hệ với Fossum để tìm cách ứng dụng cảm biến CMOS vào thiết bị nha khoa.
Bước ngoặt thực sự diễn ra vào năm 1995 với sự ra đời của công ty khởi nghiệp Photobit. Đây là lần đầu tiên Viện Công nghệ California (Caltech) – đơn vị quản lý JPL – cấp phép cho một nhà khoa học của JPL sử dụng phát minh của chính mình để thành lập công ty spin-off. Photobit nhanh chóng hoàn thiện công nghệ và đưa cảm biến CMOS vào nhiều lĩnh vực như webcam, hệ thống thị giác máy, X-quang nha khoa, camera nội soi dạng viên nang và ứng dụng trên ô tô.
Đến tháng 6/2000, Photobit đã giao 1 triệu cảm biến. Năm 2001, Micron Technology mua lại Photobit, bổ sung thêm nguồn lực phát triển và năng lực sản xuất bán dẫn. Sự bùng nổ của điện thoại di động sau đó đã trở thành đòn bẩy lớn nhất cho cảm biến CMOS. Khả năng tích hợp cao, kích thước nhỏ gọn và mức tiêu thụ điện thấp hoàn toàn phù hợp với yêu cầu của thiết bị di động mỏng nhẹ.
Theo dữ liệu từ NASA, đến năm 2013, số cảm biến CMOS được sản xuất mỗi năm đã vượt mốc 1 tỷ và hiện đạt khoảng 7 tỷ cảm biến mỗi năm, trở thành nền tảng cho hầu hết camera kỹ thuật số trên smartphone, máy tính, thiết bị y tế và ô tô.
Mô hình hợp tác đổi mới sáng tạo và những ẩn số phía trước
Thành công của cảm biến CMOS được ghi nhận là nhờ sự phối hợp hiệu quả giữa nhà nước, viện nghiên cứu và doanh nghiệp – mô hình có nhiều điểm tương đồng với “Bộ ba xoắn ốc” (Triple Helix) trong đổi mới sáng tạo. NASA đặt bài toán và tài trợ cho nghiên cứu rủi ro cao; JPL và Caltech phát triển công nghệ cùng cơ chế chuyển giao; trong khi doanh nghiệp tìm kiếm ứng dụng, hoàn thiện sản phẩm và mở rộng quy mô sản xuất.
“Điều này giúp thúc đẩy các nhà nghiên cứu khác. Và đối với toàn bộ văn hóa khởi nghiệp, những câu chuyện thành công thực sự rất ý nghĩa”, Fred Farina, Giám đốc phụ trách đổi mới sáng tạo của Viện Caltech, nhận định về tác động của các thương vụ chuyển giao công nghệ thành công.
Từ giải pháp thu nhỏ hệ thống ghi hình cho tàu vũ trụ, cảm biến CMOS đã trở thành câu chuyện thương mại hóa sáng chế thành công nhất của NASA. Dù công nghệ này đang thống trị thị trường ghi hình số, điều người dùng và giới công nghệ cần tiếp tục theo dõi là liệu các kiến trúc cảm biến thế hệ mới trong phòng thí nghiệm có thể tạo ra bước ngoặt thương mại tương tự hay không, cũng như cách các giới hạn vật lý mới trong sản xuất bán dẫn sẽ ảnh hưởng đến tiến trình tối ưu hóa kích thước và chất lượng cảm biến trong tương lai.
Nguồn tham khảo: Xem bài gốc
