Tìm hiểu về lí do Intel mất nhiều thập kỷ để ra mắt CPU i7 thông thường có 6 nhân

Là hạn chế công nghệ hay chỉ là chiêu trò của đội xanh?

Intel gần đây đã tạo ra cơn sốc trên thị trường CPU máy tính để bàn với Coffee Lake. Ngoài việc cải thiện hiệu suất so với thế hệ trước, dòng CPU này còn đánh dấu sự tiến bộ mới về số lõi CPU trên dòng vi xử lý thông thường của Intel. Đây là lần đầu tiên sau hơn một thập kỷ tích hợp 6 nhân CPU lên một vi mạch trong năm 2006, Intel thực hiện bước chuyển mình về công nghệ khi mang 6 nhân CPU lên các vi xử lý Core của mình.

Lịch sử số nhân trên CPU

Bắt đầu từ tháng 11/2006, khi Intel giới thiệu CPU Core 2 Extreme QX6700, là CPU lõi tứ phổ thông đầu tiên của hãng. CPU này được coi là tiên phong trong công nghệ với 4 nhân trên tiến trình 65nm, một thành tựu mà AMD mất gần 2 năm để đạt được.

Với việc tích hợp 4 nhân CPU trên tiến trình 65nm hơn một thập kỷ trước, Intel đã đối mặt với nhiều thách thức. Giá bán của CPU Core 2 Extreme QX6700 lúc đó lên tới 999 USD, tương đương với giá của i9-7900X 10 nhân 20 luồng hiện nay. Điều này thể hiện sự tiên phong của Intel nhưng cũng đồng nghĩa với giá thành cao và điện năng tiêu thụ lớn.

Đưa thời gian trở lại một chút, vào năm 2009, Intel bắt đầu đưa chip lõi tứ vào dòng sản phẩm phổ thông bằng Core i5 và Core i7 Lynnfield. Sử dụng công nghệ sản xuất 45nm và kiến trúc Nehalem, việc này đánh dấu bước tiến mới của Intel trên thị trường CPU phổ thông. Với kích thước bóng bán dẫn chỉ còn 45nm, Intel quay trở lại với việc thiết kế chip có 1 chân đế, bao gồm cả dòng Extreme như i7-920 và i7-860 thông dụng. Điều này cho thấy khả năng sản xuất phổ của Intel đã tiến bộ khi tỷ lệ chân đế có 4 nhân hoạt động đã được tối ưu hóa về chi phí.

Thực tế, vào năm 2010, Intel đã tung ra những CPU như i7-970 với 6 nhân nhưng tiêu thụ điện năng lên tới 130W. Các CPU Gulftown này thuộc dòng CPU HEDT với giá bán từ 885 USD trở lên. Với giá cao gấp 2,5 lần so với CPU i7-860 thông dụng, Intel có thể chấp nhận sản xuất các chân đế 6 nhân với tỷ lệ lỗi cao hơn nhiều.

Chỉ sau 2 năm từ khi ra mắt Lynnfield, Intel tiếp tục tiến bộ với Sandy Bridge dựa trên tiến trình 32nm. Sandy Bridge, đặc biệt là i7-2600K, được đánh giá là dòng CPU cao cấp nhất của Intel cho đến nay, với hiệu suất vượt trội so với thế hệ trước mặc dù vẫn giữ mức tiêu thụ điện ở 95W. Đây cũng là dòng CPU được ưa chuộng nhất cho đến hiện tại nhờ khả năng ép xung lên 4,5 GHz từ 3,4GHz chỉ với tản nhiệt khí. Năm 2011 cũng là thời điểm AMD bắt đầu suy yếu khi gần như không thể đưa ra sản phẩm cạnh tranh trong phân khúc phổ thông.

Chỉ hơn 1 năm sau đó, Intel đã giới thiệu Ivy Bridge với tiến trình công nghệ mới, tiến lên 22nm. Core i7-3770K mới là dòng tiên tiến nhưng không nhận được sự chào đón nồng nhiệt dù tương thích ngược với các bo mạch chủ Sandy Bridge với cùng socket LGA 1155. Mặc dù có hiệu năng tốt hơn một chút và tiêu thụ điện năng chỉ 77W, Ivy Bridge vẫn không thu hút người dùng Sandy Bridge nâng cấp.

2013 không phải là một năm đáng nhớ đối với Intel trên thị trường CPU phổ thông. Doanh số máy tính cá nhân toàn cầu trong tình trạng suy thoái nên việc Intel có thể tăng doanh số bán hàng là điều khó khăn. Đồng thời, thị phần của Intel từ Sandy Bridge đã trở nên quá mạnh mẽ, không thể đạt được sự tăng trưởng nào đáng kể. Haswell được ra mắt một cách im lặng và không đem lại nhiều cải tiến về hiệu suất. Cộng đồng người dùng Intel lâu năm đã chỉ trích họ vì tập trung vào tiết kiệm năng lượng thay vì cải thiện hiệu suất. Các dòng sản phẩm như i7-4770K hoặc i7-4790K không để lại ấn tượng sâu sắc đối với những người đam mê công nghệ CPU.

Năm 2015, Intel bắt đầu cho thấy dấu hiệu lười biếng và chủ quan của mình. Trong khi đó, AMD vẫn đang trải qua thời kỳ khó khăn trên thị trường CPU phổ thông với những chiếc APU không đủ sức cạnh tranh với Intel về hiệu suất. Broadwell với kiến trúc 14nm mang lại những con chip mạnh mẽ với năng lượng tiêu thụ chỉ 65W. Dù vẫn sử dụng socket LGA 1150 của Haswell, các dòng sản phẩm như i7-5775C hoặc i7-5775R không nhận được sự chú ý nhiều. Có thể, dòng sản phẩm i7-5xxx chỉ được chú ý với i7-5960X thuộc dòng cao cấp HEDT có RAM DDR4 và 8 nhân. Giá cao hơn 300 USD không đủ hấp dẫn cho người dùng.

Core i7-5775C ra mắt vào tháng 6/2015, nhưng chỉ sau 3 tháng, Intel đã ra mắt Skylake - dòng CPU 14nm phổ thông đầu tiên. Tuy nhiên, số nhân/luồng vẫn chỉ là 4/8. Lý do có thể là do hạn chế công nghệ và tỷ lệ sản xuất chân đế 4 nhân vẫn còn thấp. Với giá trên 300 USD, dường như không đủ để bù đắp chi phí.

Cuối năm 2016, Intel vẫn chưa mang lại bất kỳ sản phẩm CPU phổ thông nào đột phá. Đến tháng 1 năm 2017, họ mới giới thiệu Kaby Lake, sản xuất trên tiến trình 14nm. Core i7-7700K vẫn là CPU chơi game hàng đầu, nhưng AMD đã bắt đầu phục hồi và thậm chí mạnh mẽ hơn với Ryzen vào tháng 3. Từ phân khúc i7 đến i3, sự độc tôn của Intel bị AMD làm sụp đổ bằng hiệu suất/giá thành vượt trội, gấp đôi đối thủ.

Đó là lúc Intel không thể ngồi yên nữa. Chỉ sau 5 tháng kể từ khi AMD giới thiệu Ryzen 7, Intel đã phải tung ra Coffee Lake - thế hệ Core i thứ 8 và cũng là thế hệ CPU phổ thông đầu tiên của họ với 6 nhân. Đây cũng là lần đầu tiên họ phải tự trừng phạt khi ra mắt hai thế hệ CPU cùng phân khúc trong cùng một năm với hiệu suất chênh lệch lên tới 50%. Bây giờ, người tiêu dùng mới mua máy tính với CPU Kaby Lake cảm thấy tiếc nuối nhất.

Lí giải công nghệ

Vậy thực ra Intel trước đây không có khả năng sản xuất CPU 6 nhân và bán với giá hơn 300 USD, hoặc chỉ vì không có đối thủ nên họ không cần cải thiện công nghệ? Câu trả lời có vẻ nghiêng về phương án thứ hai. Nếu quan sát kỹ, ta thấy kích thước đế silicon của các CPU Core i phổ thông giảm đáng kể theo thời gian, trong khi kích thước của con chip vẫn là 37,5mm x 37,5mm. Điều này cho thấy, nếu Haswell có đế silicon lớn gấp đôi, nó vẫn có thể hoạt động bình thường. So với CPU HEDT như i7-5820K hay i9-7900X, kích thước đế silicon gần như không thay đổi nhiều qua các năm.

Thực tế, ngành công nghiệp sản xuất vi xử lý vẫn sử dụng phương pháp die-harvest, tận dụng đế silicon. Trong quá trình sản xuất, khi cắt wafer thành đế silicon, không phải chân đế nào cũng có đủ số nhân hoạt động như yêu cầu. Với CPU Core i phổ thông của Intel, 1 đế silicon sẽ có 4 nhân. Các đế silicon với 4 nhân hoạt động tốt sẽ được sử dụng cho CPU i5 và i7, trong khi những đế chỉ có 2 đến 3 nhân hoạt động tốt hơn ở mức xung và điện áp thiết kế sẽ được sử dụng cho CPU i3 hoặc Pentium. Điều này cũng áp dụng cho GPU, khi GTX 1070 có ít nhân CUDA hơn GTX 1080 vì GPU không đạt tiêu chuẩn được sử dụng lại cho GTX 1080.

Trong khi đó, AMD dễ dàng sản xuất CPU 8 nhân và bán với giá tương đương các CPU i7 Kaby Lake của Intel. Để làm điều này, AMD chọn giải pháp đặt 2 đế silicon 4 nhân trên cùng 1 vi mạch. Việc sản xuất đế silicon 4 nhân không còn khó khăn và đắt đỏ như trước. Đây cũng là cách mà Intel đã sử dụng để sản xuất CPU 4 nhân cách đây hơn 10 năm. Bằng cách này, AMD có thể sản xuất CPU hiệu quả hơn Intel.

Tuy nhiên, điểm yếu của thiết kế này là kết nối Infinity Fabric, truyền dẫn dữ liệu giữa 2 cụm nhân CCX. Kết nối này phụ thuộc vào xung nhịp RAM của hệ thống. Thiết kế này giống như việc đặt 2 CPU lên 1 vi mạch, làm cho một trong 2 sẽ bị ảnh hưởng bởi khả năng của CCX còn lại. Do đó, khả năng ép xung của Ryzen 7 bị hạn chế, vì một CCX có thể ép xung lên 4,1GHz trong khi CCX còn lại chỉ đạt được 3,9GHz, khiến cả hệ thống chỉ đạt 3,9GHz ổn định.

Cách Intel sản xuất CPU với số nhân lớn hơn 4 trên một đế silicon trong 10 năm qua thực tế có phần không hiệu quả về chi phí. Luôn phải cố gắng sản xuất đế silicon với đủ số nhân yêu cầu, chạy ở mức xung thiết kế, dẫn đến lượng đế silicon không được tận dụng hết. Tuy nhiên, với việc công nghệ tiến bộ và kích thước bóng bán dẫn giảm đi nhiều lần, Intel đã có thể sản xuất được đế silicon với 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18 nhân. Số nhân càng cao thì chi phí sản xuất càng tăng, nhưng có thể được bù đắp bằng cách sử dụng những đế silicon không đạt chuẩn cho các CPU có yêu cầu thấp hơn. Vì vậy, chúng ta vẫn thấy các CPU Intel HEDT 6 nhân dù số nhân tối đa đã đạt tới 18.

Ưu điểm của cách thiết kế này là dữ liệu luôn được xử lý trên cùng một đế silicon, không cần phải chuyển đổi, giúp ứng dụng đa luồng không bị ảnh hưởng như Ryzen. Khả năng ép xung cũng được đồng bộ, giúp việc ép xung dễ dàng hơn và đạt mức xung cao hơn so với đối thủ.

Một điểm đáng chú ý khác là giá của CPU 6 nhân của Intel đã giảm đáng kể sau nhiều năm. Trong khi i7-970, CPU HEDT đầu tiên có 6 nhân của Intel ra mắt vào năm 2010 với giá 885 USD, i7-7800X hiện đã có giá chỉ còn 389 USD, cao hơn i7-7700K chỉ 50 USD. Điều này thể hiện sự giảm giá của Intel qua nhiều năm.

Với sự ra mắt của Coffee Lake, người dùng Core i7 phổ thông sẽ lần đầu tiên được trải nghiệm CPU với hơn 4 nhân sau nhiều năm chờ đợi. Đế silicon của các CPU Core i thế hệ 8 có kích thước lớn hơn một chút so với người tiền nhiệm, điều này cũng thể hiện sự thay đổi trong thiết kế vi mạch. Coffee Lake sử dụng socket LGA 1151v2 và không tương thích ngược với Skylake và Kaby Lake. Việc Intel mang 6 nhân lên dòng Core i phổ thông cũng cho thấy họ đã cân nhắc chi phí và lợi nhuận.

Sau khi tìm hiểu và phân tích các yếu tố, ta thấy rằng Intel vốn đã có thể sản xuất CPU Core i phổ thông với tới 6 nhân từ cách đây 3 năm nhưng họ không làm vậy để tối ưu hóa lợi nhuận. Nếu không có sự cạnh tranh từ Ryzen của AMD, có lẽ người dùng sẽ phải tiếp tục sử dụng CPU i7 phổ thông 4 nhân thêm vài năm nữa.