Cảm biến CMOS - từ thí nghiệm NASA đến linh kiện trên hàng tỷ camera

Từ nghiên cứu để khám phá không gian, cảm biến ảnh CMOS thành linh kiện phổ biến trong điện thoại và là câu chuyện thương mại hóa sáng chế thành công nhất của NASA.

Tại lối vào Microdevices Laboratory (MDL), phòng thí nghiệm vi thiết bị của NASA ở California (Mỹ), bức ảnh nhà khoa học Eric Fossum cầm một chiếc smartphone được đặt ở sảnh chính. Ông góp công lớn trong việc phát triển cảm biến CMOS điểm ảnh chủ động. Từ bài toán thu nhỏ camera cho tàu vũ trụ, công nghệ này dần trở thành linh kiện phổ biến trên hàng tỷ thiết bị, góp phần thay đổi ngành công nghiệp hình ảnh số.

Câu chuyện bắt đầu vào thập niên 1990, khi NASA theo đuổi định hướng "nhanh hơn, tốt hơn, rẻ hơn" nhằm giảm chi phí và rút ngắn thời gian phát triển sứ mệnh không gian. Fossum, khi đó là kỹ sư tại JPL, được giao tìm cách thu nhỏ hệ thống camera sử dụng trên tàu vũ trụ mà vẫn bảo đảm chất lượng hình ảnh. Với những thiết bị hoạt động cách Trái Đất hàng triệu km, camera không chỉ cần gọn nhẹ mà còn phải tiêu thụ ít năng lượng, hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt, nơi việc sửa chữa gần như không thể thực hiện sau khi phóng.

Khi ấy, cảm biến CCD là lựa chọn phổ biến trong hệ thống ghi hình chất lượng cao. Tuy nhiên, kiến trúc này cần cơ chế chuyển điện tích và mạch đọc tín hiệu riêng, khiến việc thu nhỏ hệ thống camera và giảm điện năng tiêu thụ gặp khó khăn.

Là chuyên gia CCD, nhưng Fossum cũng nhận thấy công nghệ Bán dẫn oxit kim loại bù (CMOS) vốn được sử dụng rộng rãi trong chế tạo vi mạch bán dẫn, có thể mở ra hướng đi khác. Ý tưởng dùng CMOS để ghi nhận hình ảnh đã được nghiên cứu từ lâu, nhưng các thế hệ cảm biến ban đầu gặp vấn đề nhiễu tín hiệu, khiến chất lượng ảnh chưa đáp ứng yêu cầu.

Ông cùng nhóm nghiên cứu phát triển CMOS điểm ảnh chủ động (CMOS active-pixel sensor). Kiến trúc này tích hợp các bóng bán dẫn khuếch đại tín hiệu ngay trong từng điểm ảnh, đồng thời cho phép đưa nhiều chức năng xử lý và điều khiển camera lên cùng chip. Nhóm cũng áp dụng kỹ thuật lấy mẫu tương quan kép để giảm nhiễu, cải thiện chất lượng hình ảnh.

So với kiến trúc CCD truyền thống, cảm biến CMOS chủ động có lợi thế về khả năng tích hợp và tiêu thụ năng lượng, tạo điều kiện chế tạo hệ thống camera nhỏ gọn hơn. Việc sử dụng quy trình sản xuất bán dẫn tương tự các vi mạch khác cũng giúp công nghệ có tiềm năng sản xuất với chi phí thấp hơn khi mở rộng quy mô.

Đây là nền tảng của hướng thiết kế "camera-on-a-chip", tức tích hợp nhiều thành phần của hệ thống ghi hình trên một chip bán dẫn. Công nghệ ban đầu phục vụ nhu cầu của NASA, sau trở thành phát minh phổ biến nhất có nguồn gốc từ cơ quan này.

Hành trình vượt "thung lũng chết" của sáng chế

Trong khoa học công nghệ, "thung lũng chết" chỉ giai đoạn đưa một nghiên cứu từ phòng thí nghiệm ra thị trường, khi phát minh dù có tiềm năng vẫn có thể thất bại vì thiếu vốn, khách hàng hoặc doanh nghiệp sẵn sàng đầu tư. Cảm biến ảnh CMOS cũng phải vượt qua những rào cản như vậy.

Đến năm 1993, Fossum đã nhận ra công nghệ có thể tạo ra bước tiến đáng kể cho cả các sứ mệnh không gian lẫn điện tử tiêu dùng. Tuy nhiên, khi giới thiệu kết quả nghiên cứu, họ gặp sự hoài nghi từ ngành công nghiệp hình ảnh số. Những thất bại trước đó của công nghệ hình ảnh CMOS khiến nhiều người nghi ngờ khả năng cạnh tranh với CCD, vốn đã có vị thế vững chắc trên thị trường.

"Ngay cả nhiều người bạn của tôi cũng có thái độ tiêu cực về nó", Fossum nhớ lại khi kể với trang NASA Spin-off . Để thuyết phục doanh nghiệp, nhóm nghiên cứu không chỉ phải cải thiện chất lượng ảnh mà còn cần chứng minh cảm biến có thể hoạt động ổn định trong những ứng dụng cụ thể.

Một đối tác sớm nhìn thấy cơ hội là Schick Technologies, doanh nghiệp phát triển thiết bị chụp X-quang nha khoa. Năm 1994, nhà sáng lập David Schick liên hệ với Fossum để tìm cách ứng dụng cảm biến CMOS vào thiết bị nha khoa, dù công nghệ khi đó vẫn còn nhiều hạn chế.

Thế nhưng, công nghệ chỉ thực sự bùng nổ sau khi dự án trở thành một công ty spin-off (khởi nguồn từ tổ chức nghiên cứu khoa học và công nghệ). Năm 1995, Fossum trở thành nhà khoa học đầu tiên của JPL được cấp phép sử dụng phát minh của chính mình từ Viện Công nghệ California (Caltech), cơ quan quản lý nhóm nghiên cứu. Họ thành lập Photobit, công ty sau đó tiếp tục hoàn thiện cảm biến, đồng thời đưa công nghệ vào các sản phẩm phục vụ nhiều nhu cầu khác nhau, từ webcam, hệ thống thị giác máy đến thiết bị chụp X-quang nha khoa, camera dạng viên nang dùng trong nội soi và ứng dụng ôtô.

Theo NASA, đến tháng 6/2000, Photobit đã giao một triệu cảm biến. Năm 2001, công ty được Micron Technology mua lại, giúp công nghệ có thêm nguồn lực phát triển và năng lực sản xuất bán dẫn.

Điện thoại di động sau đó trở thành thị trường tăng trưởng lớn cho cảm biến CMOS. Khả năng tích hợp cao, kích thước nhỏ và mức tiêu thụ điện thấp phù hợp với yêu cầu của camera trên điện thoại ngày càng mỏng nhẹ. Theo NASA, đến 2013, số cảm biến CMOS được sản xuất mỗi năm đã vượt một tỷ và hiện con số vào khoảng 7 tỷ. Công nghệ từ đó trở thành nền tảng cho phần lớn camera kỹ thuật số, từ điện thoại, máy tính đến các hệ thống ghi hình trong y tế và ôtô.

Hành trình này cũng được ghi nhận thành công nhờ sự phối hợp giữa nhà nước, viện nghiên cứu và doanh nghiệp trong đổi mới sáng tạo. NASA đặt ra bài toán và tài trợ cho nghiên cứu có rủi ro kỹ thuật cao; JPL và Caltech phát triển công nghệ, tổ chức chuyển giao; còn doanh nghiệp tìm ứng dụng, hoàn thiện sản phẩm và mở rộng sản xuất. Cách phối hợp này có những điểm tương đồng với mô hình "Bộ ba xoắn ốc" (Triple Helix) trong đổi mới sáng tạo hiện nay.

Với Caltech, lợi ích từ thành công của CMOS không chỉ nằm ở nguồn thu cấp phép để tái đầu tư cho nghiên cứu và giáo dục. Fred Farina, Giám đốc phụ trách đổi mới sáng tạo của viện, cho rằng những câu chuyện thương mại hóa thành công còn tạo động lực cho các nhà nghiên cứu khác tại Caltech và JPL, đồng thời góp phần thúc đẩy văn hóa khởi nghiệp.

Tại Microdevices Laboratory, hành trình đưa nghiên cứu ra ứng dụng vẫn tiếp diễn với những công nghệ mới. Trong chuyến thăm dành cho báo chí quốc tế vào tháng 9, phòng lab này cho biết đã phát triển thành công một sản phẩm khác là HOT-BIRD, một loại cảm biến hồng ngoại sử dụng vật liệu bán dẫn đặc biệt để phát hiện bức xạ nhiệt. Đây sẽ là thành phần quan trọng trong các hệ thống theo dõi và ứng phó với cháy rừng trong tương lai.

Với Caltech, lợi ích từ thành công của CMOS không chỉ nằm ở nguồn thu cấp phép để tái đầu tư cho nghiên cứu và giáo dục. "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, nói.

Fossum được vinh danh tại Đại sảnh Danh vọng Nhà phát minh Quốc gia của Mỹ năm 2011. Bản thân ông cũng thừa nhận bất ngờ vì hành trình của sáng chế này. "Tôi thấy thật đáng kinh ngạc khi nó lại có sức sống riêng đến vậy", ông chia sẻ.