Buzz
Nếu bạn quan tâm đến tin tức công nghệ trong một thập kỷ qua, bạn chắc chắn đã nghe về Định luật Moore và cách mà nó đang từng bước mất đi sự ảnh hưởng của mình. Nhưng việc mô tả chính xác Định luật Moore và cách mà nó đang dần mòn trong một bài báo tiêu chuẩn có thể trở nên khó khăn...Một quy luật miêu tả cách ngành công nghiệp chip hoạt động suốt nhiều thập kỷ
Định luật Moore được nhà đồng sáng lập Intel Gordon Moore đặt ra vào năm 1965 và định luật dự đoán rằng cứ hai năm một lần, số lượng bóng bán dẫn (về cơ bản là thành phần nhỏ nhất trong bộ xử lý) sẽ tăng lên gấp đôi. Vì vậy, nếu chúng ta đang chế tạo con chip lớn nhất có thể trong năm này, thì ta sẽ có thể tạo ra một con chip có số lượng bóng bán dẫn gấp đôi hai năm sau đó. Nếu ngành công nghiệp có thể xây dựng một bộ xử lý với một triệu bóng bán dẫn trong một năm, thì trong thời gian hai năm, một con chip hai triệu bóng bán dẫn sẽ là khả thi.
Minh họa cho kiến trúc chiplet, một trong hai lối thoát của định luật Moore. Ảnh: XDA.
Điều này phần lớn liên quan đến cách sản xuất chip thông qua một thứ gọi là nút tiến trình. Mỗi tiến trình mới được coi là dày đặc hơn tiến trình trước, đó là cách ngành công nghiệp có thể đáp ứng các dự đoán của Định luật Moore trong nhiều thập kỷ. Chúng ta có thể thắc mắc tại sao mật độ lại là điều cần thiết để duy trì sự gia tăng số bóng bán dẫn; tại sao không chỉ tạo ra một con chip có diện tích lớn hơn mỗi năm? Một con chip chỉ có thể lớn tới một mức nào đó. Những con chip lớn nhất từng được sản xuất có diện tích lớn nhất là 800mm vuông, mà có thể dễ dàng nằm gọn trong lòng bàn tay. Nếu cứ vậy mà tăng diện tích lên để có nhiều bóng bán dẫn hơn thì ắt hẳn ngày nay một con chip là rất lớn để đưa vào bên trong bất kỳ chiếc máy tính nào. Chẳng hạn gần đây chúng ta đã thấy con chip M2 Ultra của Apple có diện tích rất lớn, đây là một nỗ lực gia tăng hiệu suất lên mức cao nhất có thể nhưng tiến trình sản xuất hiện tại dù đã rất tiên tiến (5nm) vẫn chưa đáp ứng đầy đủ được yêu cầu đó. Vì vậy, mật độ cao hơn là cần thiết để đặt nhiều bóng bán dẫn hơn vào trong một con chip.
Trong phần lớn lịch sử điện toán, các công ty chế tạo chip (thường được gọi là fabs) có khả năng khởi động những nút tiến trình mới mỗi một hoặc hai năm và tuân theo Định luật Moore. Ngoài ra, các nút tiến trình mới cũng cải thiện xung nhịp (đôi khi được gọi đơn giản là hiệu năng) và hiệu quả về năng lượng, do vậy việc sử dụng quy trình mới nhất hoặc mới thứ nhì thường là điều mà các công ty mong muốn trừ phi họ đang tạo ra thứ gì đó mang tính cơ bản. Chẳng hạn như việc Qualcomm vẫn đồng thời tạo ra các chip có tiến trình 12nm hoặc cũ hơn cho dòng điện thoại giá rẻ, bên cạnh các chip flagship có tiến trình mới nhất. Vậy rút cuộc Định luật Moore là gì? Nó đã là một điều không bị ai đặt câu hỏi, đã thực sự xảy ra và được coi là chuyện hiển nhiên.
Định luật Moore đang “chết” như thế nào
Hình ảnh thẻ đồ họa GTX 1080 của Nvidia. Nguồn: XDA.
Cả ngành công nghiệp đều tin rằng cuộc hành trình hấp dẫn với các tiến trình sản xuất mới mỗi năm sẽ kéo dài mãi mãi, nhưng tất cả đã sụp đổ trong thế kỷ 21. Dấu hiệu đáng lo ngại đầu tiên là sự chấm dứt của quy mô Dennard, dự đoán rằng các bóng bán dẫn ngày càng nhỏ sẽ có thể hoạt động với tốc độ xung nhịp tăng lên, nhưng không còn chính xác từ khi tiến trình 65nm được giới thiệu vào giữa những năm 2000. Ở kích thước siêu nhỏ như vậy, bóng bán dẫn đã cho thấy các hành vi không lường trước được.
Tuy nhiên, việc chấm dứt của quy mô Dennard không phải là vấn đề lớn nhất. Mọi công ty chế tạo chip trên thế giới gặp khó khăn lớn quanh công nghệ 32nm vào đầu những năm 2010. Việc thu nhỏ bóng bán dẫn xuống dưới 32nm trở nên cực kỳ khó khăn, và chỉ có Intel mới thành công với nút 22nm sau 32nm. Mặc dù, cho đến giữa những năm 2010, các đối thủ mới bắt đầu đuổi kịp, nhưng từ đó, cả ngành sản xuất chip đã thay đổi đáng kể.
Hình ảnh về nút tiến trình 32nm, một ranh giới làm giảm số lượng công ty tồn tại trong ngành. Hiện chỉ có 3 công ty là Intel, Samsung và TSMC. Dù dự đoán Intel sẽ rời bỏ cuộc chơi, nhưng với sức mạnh công nghệ lõi của Mỹ và sự hỗ trợ đặc biệt từ chính phủ, Intel sẽ tiếp tục chiếm lĩnh thị trường trong tương lai. Nguồn: Eetasia.
Biểu đồ trên minh họa số lượng công ty sản xuất các nút tiến trình hàng đầu trong một năm và một thế hệ cụ thể. Số lượng này giảm đi liên tục trong nhiều năm, nhưng ổn định từ cuối những năm 2000 đến đầu những năm 2010. Tuy nhiên, khi các công ty nhận ra khó khăn vượt qua 32nm, họ bắt đầu từ bỏ. Mười bốn công ty đã đạt được 45nm, nhưng chỉ có 6 đạt được 16nm. Ngày nay, chỉ có 3 trong số đó tiếp tục dẫn đầu: Intel, Samsung và TSMC. Dự kiến, trong tương lai gần, Intel hoặc Samsung sẽ chấm dứt cuộc đua.
Khuôn viên của Intel tại Chandler, Arizona, Mỹ. Đây là nơi Intel cho rằng là nhà máy sản xuất chip tiên tiến nhất trên thế giới. Hệ thống nhà máy này là nỗ lực không ngừng nghỉ của Intel để duy trì tốc độ thu nhỏ tiến trình bán dẫn. Nguồn: Bizjournals.
Thậm chí các công ty có khả năng phát triển các nút tiến trình mới cũng không thể duy trì sự thành công từ thế hệ trước sang thế hệ mới của các nút cũ hơn. Việc tăng mật độ chip ngày càng khó khăn hơn; nút tiến trình 3nm của TSMC không thể tăng kích thước bộ nhớ cache, đây là một vấn đề nan giải. Và khi mật độ chip giảm qua từng thế hệ, chi phí sản xuất càng tăng lên, khiến giá thành mỗi bóng bán dẫn không giảm từ nút 32nm trở đi, điều này làm cho việc bán các chip giá thấp trở nên khó khăn hơn. Cải tiến về hiệu suất và hiệu quả năng lượng cũng không còn như trước kia.
Tất cả điều này biểu thị sự 'chết' của Định luật Moore đối với chúng ta. Điều này không chỉ đơn giản là việc không đạt được sự gấp đôi sau mỗi hai năm; đó là sự tăng giá, chạm vào tường hiệu suất và không thể tăng hiệu quả năng lượng như trước. Điều này là một vấn đề thách thức cho toàn bộ ngành công nghiệp máy tính.
Phương thức các doanh nghiệp vượt qua thách thức của Định luật Moore dù nó đang suy yếu
Mặc dù sự suy giảm của Định luật Moore là rõ ràng và ngày càng trở nên phổ biến, nhưng hàng năm chúng ta vẫn thấy sự đổi mới từ các công ty hàng đầu trong ngành, nhiều trong số họ đang nỗ lực để giải quyết các vấn đề trong sản xuất đã gây ra khó khăn trong nhiều năm qua. Trong khi Định luật Moore nói về bóng bán dẫn, tinh thần của nó vẫn có thể được duy trì bằng cách đáp ứng các cải tiến truyền thống từ thế hệ này sang thế hệ khác, và ngành công nghiệp có nhiều công cụ linh hoạt để làm điều này, bao gồm cả những công cụ không tồn tại cách đây một thập kỷ.
Hình ảnh GPU Radeon RX 7900 của AMD. Nguồn: XDA.
Công nghệ chiplet của AMD và Intel (gọi là tấm gạch bởi Intel) không chỉ đáp ứng các kỳ vọng về hiệu suất từ Định luật Moore mà còn vượt qua cả các kỳ vọng về bóng bán dẫn. Mặc dù một con chip duy nhất có thể quá lớn, nhưng lý thuyết cho thấy chúng ta có thể kết hợp nhiều chiplet vào một bộ xử lý duy nhất. Chiplet đơn giản là các chip nhỏ được kết nối để tạo ra một bộ xử lý hoàn chỉnh. AMD đã sử dụng công nghệ chiplet từ năm 2019, cho phép công ty tăng gấp đôi số lượng nhân xử lý trong máy tính để bàn và máy chủ.
Ngoài ra, chiplet có thể được tùy chỉnh, và đây chính là lúc công nghệ thể hiện sức mạnh khi đối mặt với sự suy yếu của Định luật Moore. Bởi vì bộ nhớ đệm cache không thể thu nhỏ trên các nút tiến trình mới, vì sao không đặt toàn bộ bộ nhớ đệm vào các chiplet sử dụng các nút tiến trình cũ hơn, rẻ hơn và đặt các nhân xử lý trên các chiplet với nút tiến trình mới nhất? Đó chính là những gì AMD đã và đang thực hiện với 3D V-Cache và chiplet bộ nhớ cache 3D (gọi tắt là MCD) trong GPU RX 7000 series cao cấp như RX 7900 XTX. Một số CPU và GPU hàng đầu của AMD sẽ không thể tồn tại nếu thiếu công nghệ chiplet.
Card đồ họa RTX 4090 của Nvidia.
Ngược lại, Nvidia đã khẳng định sự kết thúc của Định luật Moore và tập trung mọi nỗ lực vào trí tuệ nhân tạo (AI). Bằng cách tăng cường khả năng xử lý thông qua nhân Tensor dựa trên AI, hiệu suất có thể dễ dàng tăng gấp đôi hoặc hơn, nên Nvidia không quan tâm đến chiplet. Tuy nhiên, AI là một giải pháp tốn kém về phần mềm hơn. DLSS, công nghệ nâng cao độ phân giải do AI hỗ trợ của Nvidia, đòi hỏi sự cố gắng từ cả nhà phát triển trò chơi và Nvidia để triển khai mượt mà trong các trò chơi, và ngay cả DLSS cũng không hoàn hảo.
Trận chiến giữa AMD và Nvidia trong thị trường GPU là cuộc đối đầu hấp dẫn nhất của ngành công nghệ, vì nó hứa hẹn mở ra những cơ hội mới cho Định luật Moore. Tên của Gordon Moore sẽ vẫn được ghi nhớ lâu dài, nhưng không phải là dưới dạng nút tiến trình nanomet mà là chiplet hoặc tensor. Ảnh: Hoanghapc.
Tùy chọn duy nhất ngoài hai lựa chọn này là cải thiện kiến trúc của bộ xử lý và đạt được hiệu suất cao hơn từ cùng một số lượng bóng bán dẫn. Trước đây, con đường này rất khó khăn đối với các công ty và trong khi các thế hệ bộ xử lý mới đem lại cải tiến về kiến trúc, mức tăng hiệu suất thường chỉ ở mức phần trăm một số. Bất chấp điều đó, các nhà thiết kế chip có thể cần tập trung nhiều hơn vào việc nâng cấp kiến trúc từ bây giờ vì đây không chỉ là một giai đoạn.
Còn về Ångstrom thì sao?
Năm 2021, Giám đốc điều hành của Intel, Pat Gelsinger, đã công bố tại sự kiện Intel Accelerated rằng các sản phẩm tương lai của họ sẽ không sử dụng tên gọi dựa trên kích thước nanomet nữa. Thay vào đó, họ đang chuẩn bị chuyển sang một hệ thống tên mới mà Gelsinger nói sẽ cung cấp “cái nhìn chính xác hơn về các tiến bộ công nghệ trong toàn ngành”. Tại sự kiện đó, ông Gelsinger cũng nói thêm: “Chúng tôi đang tận dụng hệ thống đổi mới vô song của mình để mang lại những tiến bộ từ bóng bán dẫn đến cấp độ hệ thống. Cho đến khi bảng tuần hoàn không còn nữa, chúng tôi sẽ không ngừng theo đuổi Định luật Moore và con đường đổi mới của chúng tôi với sự kỳ diệu của silicon.” Đó là một tuyên bố rất tham vọng cho sự cố gắng theo đuổi của Intel về Định luật Moore, họ thực sự chú trọng vào những thứ thực sự quan trọng, những thứ tạo thành bộ vi xử lý thay vì chỉ là các giải pháp nặng về phần mềm. Mặc dù gặp phải nhiều chỉ trích và lời mỉa mai từ các nhà phân tích ngành, chúng ta hãy nhìn vào cách họ đặt tên sản phẩm của mình:
Intel 7 thực ra là chip 10 nanomet, nhưng tương đương với 7nm của AMD. Còn Intel Next là một tiến trình đến mức Intel cũng chưa tưởng tượng ra vì nó đại diện cho điểm cuối của Định luật Moore. Ảnh: Intel.
Sơ đồ đặt tên này có nghĩa là chip thế hệ thứ ba 10nm của Intel sẽ được gọi là “Intel 7”. Mặc dù ban đầu có vẻ như một cách giá trị để Intel định vị chip 10 nanomet của mình có tính cạnh tranh cao hơn so với sản phẩm 7nm của đối thủ, nhưng thực tế không phải như vậy. Ví dụ, ai cũng biết rằng chip 10nm của Intel ít nhiều tương đương với bộ xử lý 7nm của AMD, vì cả hai đều sử dụng công nghệ sản xuất tương tự và cung cấp mật độ bán dẫn tương đương. Nhà phân tích Patrick Moorhead đánh giá: “Intel đã trung thực hơn TSMC và Samsung trong việc đặt tên nút. Tôi nghĩ việc đổi tên của Intel là công bằng và đáng tin cậy trong bối cảnh những gì TSMC và Samsung đang làm. Vẫn chưa có cách tiêu chuẩn công nghiệp nào để so sánh các nút này.” Sau Intel 3, với thời điểm sản xuất là nửa cuối năm 2023 và các sản phẩm ra mắt năm 2023, đó là thời điểm Intel đặt tên là Thời đại Ångstrom. Ångstrom là đơn vị đo nhỏ hơn nanomet, với 2nm bằng 20Å. Con chip đầu tiên được đo bằng Ångstroms sẽ là Intel 20A (mà chúng ta hiểu là… 2nm), có kiến trúc hoàn toàn mới gọi là RibbonFET. Ông Gelsinger cho biết đây là một công nghệ bán dẫn mới về cơ bản sẽ cho phép mật độ lớn hơn và kích thước nhỏ hơn, nó cũng sẽ kết hợp một công nghệ “PowerVia” mới giúp các tấm bán dẫn silicon có thể được cung cấp năng lượng từ phía dưới của chip, thay vì từ phía trên. Intel cũng cho biết thêm về những gì nằm sau Intel 20A, với Intel 18A (mà chúng ta hiểu là 1.8nm), được cho là sẽ ra mắt vào đầu năm 2025. Các chip Intel 18A sẽ có các cải tiến đối với RibbonFET sẽ mang lại một bước tiến lớn khác về hiệu suất bán dẫn. Chúng sẽ được sản xuất bằng công nghệ EUV NA mới, được cho là thế hệ tiếp theo của EUV.
Việc loại bỏ tiền tố “Core i” ra khỏi tên chip là một bước quan trọng về mặt thương hiệu của Intel để chuẩn bị cho 'kỷ nguyên Ångstrom”, bởi Core i đã quá gắn liền với nanomet. Tương tự, họ muốn Ultra sẽ liên kết với Ångstrom. Về cơ bản, Ångstrom không nhỏ hơn nanomet và mọi đo lường về Ångstrom đều có thể được diễn giải bằng nanomet. Ảnh: The Verge.
Chúng ta cần nhận ra rằng nó không thể nhỏ hơn nữa, như picomet, vì kích thước một nguyên tử đã là xấp xỉ 1Å, trong khi 100 picomet = 1Å. Mọi nỗ lực thu nhỏ tiến trình dưới 1Å, thậm chí là hàng đơn vị của Ångstrom, là không thể. Nhưng Intel muốn thể hiện rằng họ sẽ theo đuổi quá trình này tối đa có thể, để thể hiện tốt nhất đỉnh cao của Định luật Moore, điều chúng ta vẫn chưa đạt được dù đã rất gần.
Cấu trúc của một tế bào bao gồm các phân tử cơ bản, trong đó phospholipid là chất béo lớn nhất tạo thành hai lớp màng tế bào. Kích thước của chúng đều nằm trong khoảng từ 1-3 nm, tương ứng với các tiến bộ tiên tiến nhất mà chúng ta đang tiến dần tới. Ảnh: Bionumbers.
Chúng ta đã biết rằng Định luật Moore là điều hiển nhiên, nó là kết luận về một hiện tượng mà Gordon Moore quan sát thấy, giống như cách các nhà khoa học quan sát các quy luật tự nhiên và tổng hợp chúng thành các định luật vật lý. Nhìn từ góc độ sinh học, ta thấy các giới hạn sắp đến của Định luật này cũng là điều tất yếu. Không gì đáng ngạc nhiên khi nó sắp kết thúc. Bởi vì các phân tử cơ bản nhất cấu thành tế bào cũng chỉ có kích thước từ vài nanomet, thậm chí một nguyên tử cũng không nhỏ hơn 1Å. Một bóng bán dẫn, kỳ quan công nghệ do con người tạo ra, có thể đạt đến cấp độ vài chục Ångstrom đã là một thành tựu. Điều cuối cùng mà các bóng bán dẫn có thể đạt được chỉ là hàng đơn vị của Ångstrom mà không thể nhỏ hơn.
Máy tính được xem như một mô phỏng cho trí tuệ con người, và cả hình thức vật lý của con người, dưới dạng các rô-bốt. Thế nên, các thành phần vi mô nhất của nó đã được thu nhỏ về cấp độ nguyên tử, tương tự như các nguyên tử trong tế bào của con người. Do đó, Định luật Moore sẽ không ‘chết’ nếu chúng ta điều chỉnh nó như sau:
“Mỗi hai năm một lần, số lượng bóng bán dẫn (thành phần nhỏ nhất trong bộ xử lý) sẽ tăng gấp đôi, cho đến khi nút tiến trình đạt được một hoặc một vài Ångstrom.”
Tổng hợp từ [1], [2], [3], [4].
