Kỷ nguyên của vi chip siêu nhỏ có thể sẽ sắp kết thúc, nhường chỗ cho những tấm wafer lớn hơn, mở ra một thế hệ chip mới với khả năng vượt trội trong tương lai.

Với nhu cầu tính toán ngày càng gia tăng, kỷ nguyên của các con chip siêu nhỏ có thể đang dần đi đến hồi kết. Thay vào đó, những siêu chip có kích thước khổng lồ, làm từ tấm wafer, sẽ thống trị công nghệ trong tương lai.

Trong khi cả thế giới đắm chìm trong sự phát triển vượt bậc của các vi chip nhỏ gọn, chứa hàng tỷ bóng bán dẫn, một nghịch lý đang dần lộ diện: những thành tựu xuất sắc của công nghệ microchip lại đang đẩy nó đến ngưỡng giới hạn. NVIDIA, với giá trị vốn hóa thị trường lên tới 5.000 tỷ USD, là đại diện cho đỉnh cao của kỷ nguyên này.

CEO Jensen Huang đã khiến cả hội nghị AI ở Washington tuần trước phải ngỡ ngàng khi trình bày những tiến bộ vượt bậc mà các con chip NVIDIA đạt được. Mỗi con chip mới nhất của ông sở hữu đến 208 tỷ bóng bán dẫn, được đóng gói trong lớp vỏ nhựa và các dây đồng mảnh như chân của loài côn trùng, với giá trị lên tới khoảng 30.000 USD cho mỗi chiếc.

Tuy nhiên, sự đột phá thực sự không chỉ nằm ở những con chip riêng biệt mà là ở cách chúng được kết nối với nhau. Những chip này không còn làm việc độc lập như các bộ xử lý trung tâm của máy tính cá nhân, mà được liên kết hàng nghìn, thậm chí hàng triệu con trong các trung tâm dữ liệu, tạo thành một siêu máy tính khổng lồ với khả năng tư duy tập thể, chính là trí tuệ nhân tạo.

Colossus 2, trung tâm dữ liệu mạnh mẽ nhất thế giới tại Memphis, Tennessee, là nền tảng tính toán cho Grok và xe tự lái của xAI, được điều hành bởi Elon Musk, với khoảng một triệu chip NVIDIA tích hợp vào một siêu máy tính duy nhất.

Giới hạn của kỷ nguyên vi chip

Tuy nhiên, chính sự tiến bộ đến tột đỉnh này lại hé lộ một nghịch lý không thể tránh khỏi. Toàn bộ ngành công nghiệp chip hiện nay đều bị chi phối bởi một cỗ máy kỳ diệu, nhưng cũng chính là một giới hạn vật lý không thể vượt qua – đó chính là cỗ máy quang khắc tia cực tím EUV của ASML.

Phiên bản mới nhất của ASML sử dụng công nghệ quang khắc cực tím với khẩu độ số cao. Nếu bạn không phải là công dân Trung Quốc, bạn có thể mua một chiếc với giá khoảng 380 triệu USD. Đến nay, khoảng 44 chiếc đã được bán. Mỗi chiếc máy được vận chuyển trong 250 thùng và cần hàng trăm kỹ sư chuyên môn để lắp đặt trong vòng sáu tháng. Giám đốc nghiên cứu của IBM, Darío Gil, đã gọi đây là cỗ máy phức tạp nhất thế giới.

Cỗ máy này hoạt động như một chiếc máy ảnh khổng lồ, chiếu ánh sáng lên bề mặt của các tấm wafer 12 inch thông qua một mặt nạ thạch anh và chrome mang thiết kế chip. Tuy nhiên, trong chính lòng cỗ máy này lại ẩn chứa một giới hạn tàn khốc mà vật lý học đặt ra, đó là giới hạn reticle – kích thước tối đa của mỗi vi chip mà máy quang khắc có thể tạo ra trong một lần chiếu.

Các cỗ máy quang khắc hiện đại chỉ có thể tạo ra die chip với diện tích tối đa là 800 mm2, tương đương 1,25 inch vuông. Giới hạn này không chỉ xác định kích thước của chip mà còn quyết định độ chi tiết của tính toán AI. Khi vượt qua điểm này, khoảng 800 mm2 hay 1,25 inch vuông, các định lý về ánh sáng và tốc độ ánh sáng giới hạn việc tạo ra các thiết kế chip lớn hơn. Đây không phải là một rào cản có thể vượt qua bằng công nghệ hay tài chính, mà là một bức tường của chính vật lý học.

Để tạo ra các con chip với hàng trăm tỷ bóng bán dẫn như GPU AI của NVIDIA, các nhà sản xuất chip đang áp dụng những phương pháp đóng gói phức tạp như chiplet hoặc xếp chồng các die chip lên nhau để tăng số lượng bóng bán dẫn trên mỗi chip. Kết quả tính toán được phân tán giữa nhiều chip và sau đó được biên dịch lại. Tuy nhiên, điều này làm tăng năng lượng cần thiết để liên kết các die chip, đồng thời khiến chi phí đóng gói phức tạp hơn và tạo ra nhiều liên kết hơn. Cuộc chạy đua này đang đi ngược lại với các định lý vật lý, và cuối cùng, chúng ta không thể chiến thắng.

Vậy điều gì sẽ đến sau đó?

Với giới hạn của reticle không thể vượt qua, kỷ nguyên của chip sẽ dần kết thúc. Tuy nhiên, nếu chip đang đi đến hồi kết, thì điều gì sẽ thay thế chúng? Câu trả lời nằm ở một mô hình cách mạng hoàn toàn: những siêu chip khổng lồ được tích hợp theo quy mô wafer, bỏ qua hoàn toàn khái niệm chip riêng biệt. Một ý tưởng đơn giản nhưng triệt để: thay vì tạo ra hàng nghìn con chip nhỏ rồi phải kết nối chúng lại, tại sao không khắc toàn bộ hệ thống lên một tấm wafer duy nhất ngay từ đầu?

Công ty Cerebras, trụ sở tại Palo Alto, California, đã biến ý tưởng này thành hiện thực với động cơ quy mô wafer WSE-3. Số liệu thống kê của nó gần như không thể tin nổi: khoảng 4.000 tỷ bóng bán dẫn, gấp 14 lần so với chip Blackwell của NVIDIA, với băng thông bộ nhớ vượt trội gấp 7.000 lần.

Bí quyết của Cerebras là khắc bộ nhớ trực tiếp lên wafer thay vì đưa vào các chip và chiplet rời rạc trong các hệ thống bộ nhớ băng thông cao phức tạp. Công ty này còn xếp các chip quy mô wafer của mình lên gấp 16 lần, biến một trung tâm dữ liệu khổng lồ thành một hộp nhỏ chứa 64.000 tỷ bóng bán dẫn. Đây không chỉ là một cải tiến nhỏ mà là một bước nhảy vọt đáng kể.

Và tương lai còn hứa hẹn hơn thế nữa nhờ vào công việc của David Lam, người sáng lập Lam Research, công ty chế tạo thiết bị wafer lớn thứ ba trên thế giới. Năm 2010, ông thành lập Multibeam Corp, công ty đã phát triển một cỗ máy quang khắc chùm điện tử đa cột, mở ra những khả năng mới trong công nghệ chế tạo wafer.

Công nghệ này giúp các nhà sản xuất vượt qua được giới hạn reticle đã đề cập trước đó. Multibeam đã chứng minh khả năng khắc các tấm wafer 8 inch, một bước đột phá mở ra một tương lai hoàn toàn mới. Không còn các chip riêng lẻ, không còn những quy trình đóng gói phức tạp tại Philippines hay Thâm Quyến, và cũng không còn những mê cung dây và cáp quang để kết nối hàng nghìn con chip với nhau.

Kỷ nguyên hậu microchip, với các trung tâm dữ liệu được gói gọn trong một chiếc hộp chứa bộ xử lý quy mô wafer, không còn là một viễn tưởng nữa mà đang dần thành hiện thực. Những gì mà nhiều người vẫn gọi là chip khổng lồ hay siêu chip thực chất là ngược lại với microchip, thiếu các đơn vị xử lý riêng biệt và bộ nhớ trong các gói nhựa được nối với nhau bằng những sợi dây như chân.

Đây không chỉ là một sự tiến hóa mà là một cuộc cách mạng thực sự, và nó đang diễn ra ngay trước mắt chúng ta. Trong khi cả thế giới đang tranh luận về việc ai sẽ sản xuất chip tốt hơn, các nhà tiên phong thực sự lại đang âm thầm xây dựng một tương lai, nơi mà chính khái niệm chip sẽ trở thành điều lỗi thời.