Quay trở lại năm 2012, anh em có thể mua một chiếc CPU 4 nhân/8 luồng xử lý, chạy ở xung nhịp 3.5 GHz, turbo lên được 3.9 GHz. Đến năm 2018, anh em vẫn có thể mua CPU chạy ở tốc độ 3.5/3.9 GHz, nhưng lần này được trang bị hẳn 16 nhân, 32 luồng xử lý song song. Hai con chip đó lần lượt là Intel Core i7-3770K và AMD Threadripper 2950X. Chiếc CPU ra mắt năm 2018 có giá gấp đôi chiếc ra mắt năm 2012.

Rốt cuộc chuyện gì đã xảy ra? Đáng lẽ ra, theo định luật Moore đưa ra từ năm 1975 (dù ý tưởng ban đầu đã được nghĩ ra từ năm 1965), cứ hai năm lượng transistor trên một diện tích chip bán dẫn tăng gấp đôi, đồng nghĩa với hiệu năng và xung nhịp của chip xử lý cũng tăng gấp đôi. Nếu cứ áp dụng định luật Moore, lẽ ra CPU ra mắt năm 2018 sẽ có xung nhịp 28 GHz. Nhưng thực tế, ngoài Core i9 chạy ở xung nhịp 5GHz, hầu hết những CPU của năm 2020 đều có xung nhịp gốc loanh quanh mạn 3.5 đến 3.7 GHz, ép xung lên mới cao hơn được. Con số này đâu khác gì so với xung nhịp CPU ra mắt từ năm 2012?

Trên lý thuyết, khái niệm hai năm lượng transistor tăng gấp đôi, đồng nghĩa với hiệu năng xử lý cũng tăng gấp đôi giờ này gần như chẳng thể nào đạt được, dù rằng quãng năm 70 80 của thế kỷ trước, đó là cái đích của mọi nhà sản xuất chip bán dẫn. Câu hỏi được đặt ra là, vì sao lại hình thành tình trạng trì trệ trong tốc độ phát triển hiệu năng xử lý của chip trong chục năm qua, và trong tương lai chuyện gì sẽ xảy ra với tốc độ tăng trưởng hiệu năng chip trong các thiết bị chúng ta sở hữu?

View attachment 4805609

Bản thân điều này không chỉ làm đau đầu những nhà sản xuất chip bán dẫn, mà còn khiến những bộ não khủng nhất tại MIT suy nghĩ và dự đoán. Những dự đoán ấy đã biến thành tài liệu khoa học mang tên “Thứ gì sẽ thúc đẩy hiệu năng máy tính sau thời Định luật Moore?”, đăng tải trên tờ Science số tháng 6/2020, được tiến sĩ Neil C. Thompson cùng các đồng sự tại phòng thí nghiệm khoa học máy tính và trí thông minh nhân tạo thuộc học viện MIT.

Một cách rất thực tiễn, bài viết nghiên cứu đưa ra một trong những nguyên nhân khiến hiệu năng chip bán dẫn không có tốc độ tăng trưởng như trước kia, đó chính là việc Intel vẫn phải phụ thuộc vào tiến trình sản xuất 14nm kể từ năm 2014. Và đó hoàn toàn không phải nguyên do duy nhất. Thực tế, quy trình “thu nhỏ” die chip bán dẫn rồi sẽ đến lúc không thể nghiên cứu thêm được nữa. Hiện giờ chúng ta đang ở thời kỳ với tiến trình 5nm, nhưng sau đó chuyện gì sẽ xảy ra tiếp? Bài viết có đoạn: “Dù rằng công nghệ chip bán dẫn hoàn toàn có khả năng tạo ra những tiến trình với transistor kích thước chỉ 2nm, nhưng trên thực tế, quá trình thu nhỏ chip bán dẫn có thể dừng lại ở tiến trình 5nm vì lợi thế so với chi phí của những tiến trình kế tiếp không đủ thuyết phục.” Tiến trình càng tiệm cận kích thước nguyên tử (nguyên tử silicon có kích thước khoảng 0.146 nm), chi phí sản xuất sẽ tăng đến mức chóng mặt.



Vậy còn số nhân xử lý trong một con chip thì sao? Con số này, nhờ vào thành quả của AMD, trong vài năm qua đã có sự phát triển đều đặn. Liệu thêm nhân có khiến hiệu năng chip xử lý tăng đều đặn không? Bài viết của Thompson cùng các đồng sự cho rằng: “Chúng ta có thể có một khoảng tiến bộ ngắn hạn nhờ vào việc tăng số nhân xử lý trong mỗi con chip, nhưng cải thiện là không quá nhiều. Nguyên nhân là thật sự rất khó để thiết kế những phần mềm tối ưu hiệu quả hàng chục, hàng trăm nhân và luồng xử lý cùng một lúc.”

Dĩ nhiên nhận định đó của Thompson chỉ đúng trong phạm vi máy tính cá nhân, còn với giải pháp điện toán đám mây và công cụ tìm kiếm trực tuyến, càng nhiều nhân xử lý, phục vụ càng nhiều người dùng cùng lúc, càng tốt.

Theo Thompson, chính tính năng “đa dụng” của chip vi xử lý là thứ khiến CPU bị kìm hãm về mặt hiệu năng. Những chip xử lý đặc dụng cho từng nhu cầu đã trở thành những sản phẩm thường gặp trong những cỗ máy tính của anh em, dưới hình thù chip GPU xử lý đồ họa trang bị trong bảng mạch card đồ họa máy tính.



Lấy ví dụ cũng đơn giản: Ngoài GPU, trong CPU của Intel có những nhân Quick Sync không làm việc gì khác ngoài việc giải mã dữ liệu video. Trước kia có cả chip xử lý vật lý, trước khi Nvidia mua lại PhysX và gói luôn tính năng xử lý vật lý vào API xử lý đồ họa của GPU. Những anh em sắm Mac Pro có thể mua những card After Burner chỉ dùng vào việc hỗ trợ tốc độ xử lý video format Pro Res. Thậm chí những bo mạch ASIC cũng đang thống trị ngành đào tiền ảo.

Bài viết của Thompson và cộng sự có đoạn: “Tôi nghĩ một trong những thứ chúng ta sẽ làm nhiều hơn trong tương lai là thiết kế những chip bán dẫn đặc dụng cho từng nhu cầu xử lý chuyên biệt, rồi dùng những sản phẩm đó tăng tốc xử lý cho máy tính. Dù vậy, đó hoàn toàn không phải giải pháp để thay thế hoàn toàn cho CPU đa dụng, thứ có thể làm được rất nhiều tác vụ khác nhau. Nếu bạn nhìn vào một con chip xử lý, bạn sẽ thấy chúng đều có những phần mạch nhỏ được thiết kế riêng, chỉ dùng để xử lý bảo mật. Nhờ đó khi bạn dùng internet và cố tạo ra một giao dịch bảo mật, rất nhiều phép tính phải được thực hiện, nhưng phần chip xử lý rất nhỏ ấy có thể hoàn thành công việc cho bạn.”

Đấy là về mặt phần cứng, và chúng ta vẫn còn phải nói đến phần mềm nữa. Hiệu năng cải thiện nhờ vào hiệu quả xử lý. Một phép tính nho nhỏ được Thompson cùng các đồng sự đưa ra: Một phép tính rất phức tạp (nhân hai ma trận 4096x4096) được lập trình bằng Python. Phép tính này trên máy tính hiện đại mất 7 tiếng đồng hồ mới hoàn thành, nhưng cũng chỉ dùng có 0.0006% khả năng xử lý tối đa của cỗ máy. Vẫn phép tính đó lập trình bằng Java, nó chạy 10,8 lần nhanh hơn. Đổi sang C, tốc độ tính toán nhanh gấp 47 lần so với bài toán code bằng Python. Cuối cùng, tinh chỉnh cẩn thận từng câu lệnh lập trình, tối ưu đủ 18 nhân xử lý của một CPU trong chiếc PC thử nghiệm, cũng như ứng dụng tối ưu từ phía Intel, phép tính ấy hoàn thành trong vòng 0.41 giây, nhanh hơn so với Python 60 nghìn lần.

Thử nghiệm ấy được xử lý thông qua chip vi xử lý đa dụng, và hãy thử tưởng tượng việc kết hợp cả phần code được tối ưu với chip xử lý có phần cứng tối ưu chỉ để nhân ma trận, con số chắc chắn sẽ còn nhanh hơn nhiều so với kết quả 0.41 giây trên đây. Ở cái thời kỳ hậu định luật Moore, chúng ta có thể thấy những ứng dụng và hệ điều hành có dung lượng dần nhỏ đi, tối ưu hiệu quả hơn, thay vì có dung lượng tràn ngập ổ cứng và RAM trong máy của anh em.



Và, khi định luật Moore ngừng đưa ra luật lệ cho ngành chip bán dẫn và điện toán, khi ở công đoạn thiết kế chip không còn đủ sức tạo ra những bước tiến gấp đôi gấp ba về hiệu năng, thì cả phần cứng lẫn phần mềm đều phải kết hợp với nhau để giúp máy tính của tương lai có tốc độ cao hơn, dù xung nhịp của chúng vẫn chỉ dừng lại ở con số 3.5 GHz.

Theo PCGamer