Năm 2024, các nhà nghiên cứu đã tập trung tìm cách vượt qua những giới hạn của “bức tường diện tích” mà các chip bán dẫn hiện tại đang đối mặt. Khi Định luật Moore dần chững lại, các nhà thiết kế chip cần liên tục tăng diện tích của một die (khuôn bán dẫn), điều này không thực tế vì nhiều lý do, đáng kể nhất là kích thước reticle và tỷ lệ sản lượng (yield). Để đối phó với thách thức này, các nhà khoa học đã công bố phân tích của họ về những đột phá công nghệ trước đây trên tạp chí Fundamental Research, vạch ra một con đường mới khi Định luật Moore không còn là kim chỉ nam duy nhất. Họ gọi giải pháp này là “Big Chip”.
Chúng ta đang sống trong kỷ nguyên của Big Chip. Mặc dù khái niệm này đã manh nha từ vài năm trước, nhưng triết lý thiết kế của Big Chip đang định hình lại phần cứng máy tính ngày nay một cách mạnh mẽ. Đây là một bước tiến đầy hứa hẹn, mở ra nhiều khả năng đột phá cho tương lai công nghệ.
Big Chip Là Gì? Cái Nhìn Sâu Sắc Hơn Về Kiến Trúc Mới
Công Nghệ Big Chip Đã Hiện Diện Trong Đời Sống
Vậy, Big Chip là gì? Đơn giản, nó là một con chip có kích thước lớn. Cụ thể hơn, theo các nhà nghiên cứu đã đặt ra thuật ngữ này, Big Chip lớn hơn “diện tích phơi sáng tối đa của máy in thạch bản tiên tiến nhất hiện có”. Thiết kế của một con chip về cơ bản được in lên silicon thông qua công nghệ quang khắc (lithography), và khu vực in chỉ có thể có một kích thước nhất định. Điều này tạo ra một “bức tường diện tích”. Bạn có thể đóng gói nhiều bóng bán dẫn hơn trên một con chip, nhưng cuối cùng, bạn sẽ hết không gian trừ khi các bóng bán dẫn trở nên nhỏ hơn. Khi Định luật Moore chậm lại, tốc độ thu nhỏ của bóng bán dẫn không còn đủ nhanh để đáp ứng nhu cầu gia tăng mật độ.
Các nhà nghiên cứu này đặc biệt nói về Big Chip như một con chip có hơn một nghìn tỷ bóng bán dẫn, nhưng các nguyên tắc thiết kế cơ bản được trình bày trong phân tích đã và đang được áp dụng trong thế giới thực ngày nay. Thay vì tạo ra một khuôn bán dẫn nguyên khối (monolithic die), một con chip có thể chứa nhiều chiplet, mỗi chiplet được sản xuất riêng biệt và sau đó được ghép nối với nhau bằng công nghệ đóng gói tiên tiến. Ý tưởng về chiplet đã tồn tại hàng thập kỷ, nhưng ví dụ hiện đại nhất đến từ CPU Ryzen 3000, nơi AMD lần đầu tiên mang thiết kế dựa trên chiplet đến với bộ xử lý máy tính để bàn tiêu dùng.
Người dùng đang trải nghiệm game Titanfall trên laptop Asus ROG Flow Z13 với tai nghe gaming
Ảnh: Asus
Chiplet giờ đây là một phần không thể thiếu trong thế giới CPU, nhưng động lực thực sự cho kỷ nguyên Big Chip chính là công nghệ đóng gói dị thể (heterogeneous packaging), kết hợp một khuôn CPU đầy đủ, một khuôn GPU và bộ nhớ vào một gói duy nhất. Đây là điều mà Apple đã nắm bắt được vài năm trước với các chip dòng M của mình, cho phép tạo ra những khả năng mà nếu không thì sẽ không thể thực hiện được trên máy tính để bàn, như chúng ta đã thấy với Mac Studio M3 Ultra. Intel cũng đã bước chân vào lĩnh vực này với chip Lunar Lake, cũng kết hợp GPU và bộ nhớ với CPU, trong khi AMD gần đây đã công bố chip Strix Halo – còn được gọi là Ryzen AI Max – với thiết kế tương tự hơn so với chip dòng M của Apple.
Ảnh so sánh giữa CPU Ryzen 7 7800X3D thật và giả, minh họa cấu trúc chiplet
Nguồn: der8auer (YouTube)
Mặc dù các hệ thống trên chip (SoC) và bo mạch đơn (SBC) đã tồn tại nhiều năm, những thiết kế Big Chip này nâng tầm khả năng xử lý. Big Chip không bị giới hạn bởi một kích thước hoặc khả năng nhất định. Ý tưởng là cung cấp mọi thứ bạn cần trong một gói duy nhất, bất kể khối lượng công việc của bạn có yêu cầu cao đến đâu. Những tiến bộ lớn trong công nghệ đóng gói và kết nối tốc độ cao đã biến điều này thành hiện thực, và như chúng ta đã thấy với Strix Halo và các chip M-series cao cấp của Apple, những thiết kế này mang lại hiệu suất và hiệu quả năng lượng vượt trội, đồng thời cho phép các yếu tố hình thức (form factor) mà không thể có được nếu không có Big Chip dẫn đầu.
Tại Sao Thời Điểm Hiện Tại Là “Thiên Thời” Cho Big Chip?
Bài Toán Kinh Tế Cuối Cùng Đã Có Lời Giải
Nếu chiplet và SoC đã tồn tại nhiều năm (hoặc thậm chí hàng thập kỷ), tại sao chúng ta chỉ mới thấy ý tưởng Big Chip được đưa vào thực tế? Đây là một câu hỏi hợp lý. Các tiến bộ trong công nghệ đóng gói và kết nối là cần thiết, nhưng chắc chắn chúng ta có thể đã thấy chúng sớm hơn. Theo các nhà nghiên cứu về Big Chip, yếu tố kinh tế đóng một vai trò quan trọng. Hai biểu đồ dưới đây từ nghiên cứu cho thấy điều đó. Biểu đồ bên phải thể hiện chi phí trên mỗi bóng bán dẫn khi diện tích khuôn bán dẫn tăng lên với tiến trình 14nm. Biểu đồ bên trái là cùng một loại biểu đồ nhưng với tiến trình 5nm.
Biểu đồ so sánh chi phí hệ thống và chi phí trên mỗi bóng bán dẫn giữa thiết kế chiplet và nguyên khối ở tiến trình 14nm và 5nm
Nguồn: Fundamental Research
Quan điểm kinh tế trở nên khá rõ ràng khi nhìn vào biểu đồ này. Bất kể diện tích, việc sản xuất một khuôn bán dẫn nguyên khối ở tiến trình 14nm là khả thi hơn nhiều về mặt kinh tế. Tuy nhiên, với tiến trình 5nm, chiplet lại là lựa chọn tối ưu khi kích thước tăng lên. Đối với tổng chi phí hệ thống, biểu đồ trên cũng chỉ ra điều tương tự. Một lần nữa, kinh tế học ủng hộ khuôn nguyên khối ở tiến trình 14nm, nhưng thiết kế chiplet lại chiếm ưu thế ở tiến trình 5nm. Có vẻ như yếu tố kinh tế này đang thúc đẩy các công ty như AMD, Intel và Apple đầu tư sâu hơn vào kiến trúc và công nghệ đóng gói dị thể.
Mọi thứ bắt đầu nhỏ, với AMD đẩy mạnh Ryzen 3000 bằng các chiplet giống hệt nhau. Đó là kiến trúc phân tách nhưng không dị thể. Intel đã tận dụng kiến trúc CPU dị thể bắt đầu với chip Alder Lake thế hệ 12, trong khi Qualcomm và Apple đã đi trước với các thiết kế dị thể hoàn chỉnh. Giờ đây, AMD và Intel đều có các thiết kế tương tự, và AMD thậm chí còn tiến tới các cấu hình đóng gói độc đáo hơn với CPU 3D V-Cache của mình – vốn cũng được đề cập trong nghiên cứu.
Những Kết Quả Đột Phá Mà Big Chip Mang Lại
Lợi Ích Khó Có Thể Phủ Nhận
Mặc dù có thể chúng ta sẽ thấy ý tưởng Big Chip thâm nhập vào thị trường máy tính để bàn vào một thời điểm nào đó – Framework đã thử nghiệm ý tưởng này thông qua mô-đun tính toán Ryzen AI Max của họ – điều đó có lẽ còn vài năm nữa. Không ai lấy đi CPU và GPU rời của bạn, và đối với một người chủ yếu sử dụng máy tính để bàn như tôi, đó là một điều tốt. Tuy nhiên, rõ ràng là Big Chip có những tác động lớn đối với các yếu tố hình thức khác, và chúng đã cho phép tạo ra những sản phẩm mà không thể có được với các thành phần rời rạc.
Tôi đã đề cập đến Mac Studio M3 Ultra, và đó là một ví dụ điển hình về sức mạnh mà một Big Chip có thể mang lại. Nó không chỉ nhanh hơn bất kỳ con chip flagship tiêu dùng nào mà còn đi kèm với bộ nhớ hợp nhất (unified memory) lên đến 512GB đáng kinh ngạc. Đó là một trong những lợi ích lớn của thiết kế Big Chip: chia sẻ bộ nhớ giữa cả CPU và GPU với hiệu suất đồng nhất bởi vì mọi thứ đều là một phần của cùng một con chip. Sẽ là không thể với phần cứng quy mô trung tâm dữ liệu để phân bổ hàng trăm gigabyte bộ nhớ cho một GPU nếu không có thiết kế hợp nhất này.
Một ví dụ tuyệt vời khác là Asus ROG Flow Z13. Asus đã ra mắt các phiên bản của thiết bị lai máy tính bảng/laptop này trước đây, nhưng luôn sử dụng CPU và GPU di động rời, làm giảm đáng kể thời lượng pin của máy. Với mọi thứ trên một gói duy nhất nhờ chip Ryzen AI Max, thiết bị này tự hào có thời lượng pin cao hơn hai hoặc thậm chí ba lần so với một laptop gaming truyền thống sử dụng GPU rời. Đó là những cải tiến đáng kể.
Triển Vọng Vô Hạn Phía Trước
Mọi thứ thực sự mới chỉ bắt đầu đối với thiết kế Big Chip, và tôi tin rằng đây sẽ là trọng tâm lớn của các thương hiệu như AMD, Intel, Apple và Qualcomm trong tương lai. Nó đã là một trọng tâm lớn trong vài năm qua, và ít nhất là AMD và Apple, đang chứng minh rằng thiết kế này có đủ sức mạnh cho các ứng dụng máy tính để bàn với một số thỏa hiệp hợp lý.
Big Chip không chỉ là một khái niệm mới mà còn là một hướng đi chiến lược để vượt qua các rào cản vật lý và kinh tế trong ngành bán dẫn. Với những ưu điểm vượt trội về hiệu năng, hiệu quả năng lượng và khả năng mở rộng, Big Chip hứa hẹn sẽ định hình lại thế giới công nghệ của chúng ta, mang đến những thiết bị mạnh mẽ và linh hoạt hơn.
Bạn nghĩ sao về công nghệ Big Chip và những tiềm năng của nó? Hãy chia sẻ ý kiến của bạn trong phần bình luận bên dưới và đừng quên theo dõi khothuthuat.net để cập nhật những thông tin công nghệ mới nhất!
