Nếu có quan tâm đến tin tức truyền thông công nghệ trong một thập niên qua, có lẽ chúng ta đã nghe nói tới Định luật Moore và cách mà định luật này đang chết dần mòn ra sao. Điều không may là chúng ta thật khó để mô tả Định luật Moore là cái gì và nó đang chết dần chết mòn thế nào trong một bài viết tiêu chuẩn.
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.
Một quy luật mô tả về cách thức hoạt động của ngành công nghiệp chip trong 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
Card đồ họa GTX 1080 của Nvidia. Ảnh: XDA.
Ngành công nghiệp đã kỳ vọng là chuyến tàu hấp dẫn, tươi mới của các nút tiến trình mới mỗi năm hoặc gần như vậy sẽ kéo dài vĩnh viễn, nhưng tất cả đã đổ sụp trong thế kỷ 21. Một dấu hiệu đáng lo ngại là sự kết thúc của quy mô Dennard, mà nó dự đoán rằng các bóng bán dẫn tinh gọn, dày đặc hơn sẽ có thể đạt tốc độ xung nhịp cao hơn, nhưng điều đó đã không còn đúng quanh mốc tiến trình 65nm vào giữa những năm 2000. Ở những kích cỡ siêu nhỏ như vậy, các bóng bán dẫn đã thể hiện kiểu hành vi mới mà không nhà vật lý nào có thể đoán trước được.
Nhưng sự chấm dứt của quy mô Dennard chẳng là gì so với cuộc khủng hoảng mà gần như mọi nhà chế tạo chip trên thế giới đều gặp phải xung quanh công nghệ 32nm vào đầu những năm 2010. Việc thu nhỏ các bóng bán dẫn xuống dưới 32nm là vô cùng khó khăn và trong nhiều năm, Intel là công ty duy nhất chuyển đổi thành công sang nút 22nm, là bản nâng cấp đầy đủ kế tiếp sau nút 32nm. Mãi đến giữa những năm 2010, các đối thủ của Intel mới có thể bắt kịp, nhưng sau đó, ngành sản xuất chất bán dẫn đã thay đổi đáng kể.
Nút tiến trình 32nm là lằn ranh mà từ sau đó số công ty còn trụ được trong ngành giảm đi nhanh chóng. Hiện nay chỉ còn 3 công ty là Intel, Samsung và TSMC. Dù người ta kỳ vọng Intel sẽ sớm rời khỏi cuộc chơi, nhưng với vị thế là một công ty Hoa Kỳ nắm giữ công nghệ lõi, được sự hỗ trợ đặc biệt từ chính phủ thì chắc chắn Intel sẽ còn hiện diện lâu dài trong biểu đồ này. Ảnh: Eetasia.
Biểu đồ ở trên minh họa số lượng công ty trong những năm qua mà có thể tạo ra các nút tiến trình đứng đầu ngành trong một năm và một thế hệ nhất định. Con số này đã sụt giảm trong nhiều năm nhưng dường như ổn định vào cuối những năm 2000 đến đầu những năm 2010. Sau đó, khi các công ty bắt đầu nhận ra mức độ khó khăn để tiến xa hơn 32nm thì họ đã đầu hàng. Mười bốn nhà sản xuất chip tiên tiến đã đạt đến nút tiến trình 45nm, nhưng chỉ sáu trong số đó đạt đến 16nm. Ngày nay, chỉ có ba trong số những nhà sản xuất đó vẫn còn ở vị thế tiên phong: Intel, Samsung và TSMC. Tuy nhiên, nhiều người đang mong đợi Samsung hoặc Intel cuối cùng sẽ gia nhập hàng ngũ những công ty rơi rụng.
Khuôn viên của Intel ở Chandler, bang Arizona, Hoa Kỳ. Đây là nơi mà công ty cho biết là nhà máy sản xuất chất bán dẫn tiên tiến nhất trên thế giới. Hệ thống nhà máy đúc chip của Intel ở bang này là nỗ lực không ngừng nghỉ của Intel để bắt kịp tốc độ thu nhỏ tiến trình bán dẫn. Ảnh: Bizjournals.
Ngay cả những công ty có thể phát triển các nút mới này cũng không thể giữ vững được cách thành tựu từ thế hệ này sang thế hệ khác của các nút cũ hơn. Ngày càng khó làm cho chip dày đặc hơn; nút tiến trình 3nm của TSMC thực sự không thể thu nhỏ bộ đệm cache, đây là một thảm họa. Và trong khi mức tăng về mật độ đang giảm dần qua mỗi thế hệ thì việc sản xuất ngày càng đắt đỏ hơn, khiến chi phí trên mỗi bóng bán dẫn bị đình lại không thể giảm kể từ nút 32nm, điều này làm cho việc bán bộ xử lý với giá thấp hơn trở nên khó khăn hơn. Các cải thiện về hiệu năng và hiệu quả năng lượng cũng không còn tốt như trước đây.
Tất cả những điều này khi gộp lại là dấu hiệu biểu thị cái chết của Định luật Moore đối với chúng ta. Đây không chỉ là việc không tăng gấp đôi số bóng bán dẫn sau mỗi hai năm; đó là tình trạng tăng giá, chạm tới bức tường hiệu năng và không thể tăng hiệu quả năng lượng dễ dàng như trước. Đây là một vấn đề tồn tại cho toàn bộ ngành công nghiệp máy tính.
Quảng cáo
Cách mà các công ty đáp ứng được những kỳ vọng của Định luật Moore ngay cả khi nó sắp “chết”
Mặc dù cái chết của Định luật Moore là một vấn đề khó lòng phủ nhận và ngày càng nổi cộm, nhưng hàng năm chúng ta đều chứng kiến sự đổi mới từ những công ty chủ chốt trong ngành, nhiều hãng trong số đó đang tìm cách tránh khỏi hoàn toàn các vấn đề trong sản xuất đã gây khó khăn cho ngành trong nhiều năm. Trong khi Định luật Moore nói về bóng bán dẫn, thì tinh thần của Định luật Moore có thể được duy trì bằng cách chỉ cần đáp ứng các cải tiến hiệu suất truyền thống từ thế hệ này sang thế hệ khác, và ngành công nghiệp có rất nhiều công cụ tùy ý sử dụng, những công cụ thậm chí không tồn tại cách đây một thập kỷ.
Dòng GPU Radeon RX 7900 của AMD. Ảnh: XDA.
Công nghệ chiplet của AMD và Intel (mà Intel gọi là các ô gạch - tiles) không chỉ được chứng minh là đáp ứng các kỳ vọng về hiệu suất của Định luật Moore mà thậm chí cả các kỳ vọng về bóng bán dẫn. Mặc dù đúng là một chip duy nhất có thể quá lớn, nhưng về mặt lý thuyết, chúng ta có thể thêm rất nhiều chip vào một bộ xử lý duy nhất. Chiplet về cơ bản là một con chip nhỏ được ghép nối với các chiplet khác để tạo thành một bộ xử lý hoàn chỉnh. Việc AMD áp dụng công nghệ chiplet vào năm 2019 đã cho phép công ty tăng gấp đôi số lượng nhân được cung cấp trong máy tính để bàn và máy chủ.
Ngoài ra, chiplet có thể được chuyên biệt hóa và đây là lúc công nghệ thực sự tỏa sáng khi đối mặt với Định luật Moore đang hấp hối. Vì bộ nhớ đệm cache không thực sự được thu nhỏ trên các nút tiến trình mới hơn, vậy tại sao không đặt tất cả bộ đệm cache vào các chiplet sử dụng các nút tiến trình cũ hơn, rẻ hơn và đặt các nhân bộ xử lý trên các chiplet có nút tiến trình mới nhất? Đó là những gì AMD đã và đang làm với 3D V-Cache và các die (khuôn) bộ nhớ cache (hay gọi tắt là MCD) trong các GPU thuộc dòng RX 7000 cao cấp như RX 7900 XTX. Một số CPU tốt nhất và GPU tốt nhất của AMD sẽ không thể thành hiện hực được nếu không có công nghệ chiplet.
Card đồ họa RTX 4090 của Nvidia.
Mặt khác, Nvidia đã tự hào tuyên bố cái chết của Định luật Moore và đặt cược mọi thứ vào AI. Bằng cách tăng tốc khối lượng công việc thông qua các nhân Tensor có khả năng AI, hiệu năng có thể dễ dàng tăng gấp đôi hoặc hơn, vì vậy Nvidia hoàn toàn không động đến chiplet. Tuy nhiên, AI chắc chắn là một giải pháp nặng về sử dụng phần mềm hơn. DLSS, công nghệ nâng cấp độ phân giải do AI hỗ trợ của Nvidia, đòi hỏi nỗ lực từ cả nhà phát triển trò chơi lẫn từ Nvidia để có thể triển khai suôn sẻ trong các game, và ngay cả DLSS cũng không hoàn hảo.
Quảng cáo
Như vậy, cách tiếp cận của AMD và Intel thiên về mặt kiến trúc, thứ có thể nhìn ra và đong đếm được. Còn cách tiếp cận của Nvidia thiên về phần mềm. Ở đây Nvidia muốn tạo sự khác biệt so với các đối thủ truyền thống của mình. Nhưng điều này cũng không có nghĩa là Nvidia sẽ né tránh hoàn toàn công nghệ chiplet, nếu như họ bắt buộc phải làm như thế trong tương lai.
Cuộc so găng giữa AMD và Nvidia trong địa hạt GPU là cuộc chiến thú vị nhất của ngành công nghệ, vì nó hứa hẹn sẽ mở ra những lối thoát mới cho Định luật Moore. Chúng ta sẽ thấy tên tuổi của Gordon Moore sẽ còn lưu dấu dài lâu, song không phải dưới dạng nút tiến trình nanomet nữa mà là chiplet hoặc tensor. Ảnh: Hoanghapc.
Tùy chọn duy nhất khác ngoài hai tùy chọn này là chỉ cần 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 đến những cải tiến về kiến trúc, thì mức tăng hiệu suất thường ở mức phần trăm một con số. Bất chấp điều đó, các nhà thiết kế chip có thể cần tập trung nhiều hơn vào việc nâng cấp kiến trúc kể từ bây giờ vì đây không chỉ là một giai đoạn.
Vậy còn Ångstrom thì sao?
Hồi năm 2021 Giám đốc điều hành Intel Pat Gelsinger đã cho biết tại sự kiện Intel Accelerated của công ty là các sản phẩm trong tương lai của họ sẽ không còn sử dụng quy ước đặt tên dựa trên nanomet cũ. Thay vào đó, họ đang sửa soạn chuyển sang một danh pháp mới mà Gelsinger cho biết sẽ cung cấp “cái nhìn chính xác hơn về các nút tiến trình trong toàn ngành”.
Tại sự kiện đó ông Gelsinger còn cho biết thêm: “Chúng tôi đang tận dụng hệ thống đổi mới vô song của mình để mang lại những tiến bộ công nghệ từ bóng bán dẫn cho 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.”
Cho đến khi bảng tuần hoàn không còn nữa! Đó là một phát biểu hết sức tham vọng cho nỗ lực theo đuổi Định luật Moore của Intel, họ thực sự luôn chú trọng đến những gì là cốt lõi, những thứ thực sự cấu thành nên con chip chứ không chỉ là các giải pháp nặng tính phần mềm.
Dù vấp phải nhiều điều tiếng và lời mỉa mai không ngớt từ các nhà phân tích ngành, chúng ta hãy nhìn vào cách đặt tên của họ:
Intel 7 thực chất là chip 10 nanomet, dù là 10nm nhưng nó tương đương với 7nm của AMD. Nhìn về cuối bức hình, Intel Next là một tiến trình đến chính Intel cũng chưa hình dung ra được vì đó tượng trưng cho điểm cuối của Định luật Moore. Ảnh: Intel.
Sơ đồ đặt tên này có nghĩa là chip 10nm thế hệ thứ ba của Intel sẽ được gọi là “Intel 7”. Mặc dù thoạt nhìn, đó có vẻ là một cách rẻ tiền để Intel định vị các chip 10 nanomet của mình có tính cạnh tranh cao hơn bên cạnh các sản phẩm 7nm của đối thủ, nhưng thực tế không phải vậy. Chẳng hạn, ai cũng biết rằng chip 10nm của Intel ít nhiều ngang bằng với bộ xử lý 7nm của AMD, vì chúng sử dụng công nghệ sản xuất tương tự và cung cấp mật độ bóng 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 là thời khắc mà 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 ngầm hiểu là… 2nm), có kiến trúc hoàn toàn mới gọi là RibbonFET. Ông Gelsinger cho biết đây là một công nghệ bóng 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 mặt sau của chip, thay vì được chuyển đến mặt trước.
Intel cũng đưa ra thông tin sơ lược về những gì nằm ngoài Intel 20A, với Intel 18A (mà chúng ta ngầm 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 bóng bán dẫn. Chúng sẽ được sản xuất bằng công nghệ EUV NA mới, được cho là thế hệ tiếp theo của EUV.
Việc bỏ tiền tố “Core i” ra khỏi tên chip của là bước đi quan trọng về mặt thương hiệu của Intel để chuẩn bị cho "kỷ nguyên Ångstrom”, bởi Core i đã gắn quá chặt với nanomet. Tương tự vậy, giờ đây họ mong muốn Ultra sẽ gắn liền với Ångstrom. Về căn bản, Ångstrom không quá nhỏ hơn so với nanomet và mọi thước đo về Ångstrom đều có thể được diễn tả bằng nanomet. Ảnh: The Verge.
Có một điều chúng ta phải thừa nhận rằng, nó chắc chắn không thể là các thước đo 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 về dưới 1Å, thậm chí là hàng đơn vị của Ångstrom, là bất khả thi. Nhưng Intel muốn cho thấy rằng họ sẽ theo đuổi quá trình thu nhỏ này nhiều nhất có thể, để thể hiện được toàn bộ đỉnh cao của Định luật Moore, điều mà hiện nay chúng ta vẫn chưa đạt tới dù đã ở rất gần.
Cấu trúc vài phân tử cơ bản của một tế bào, trong đó phân tử lớn nhất phospholipid là chất béo tạo thành hai lớp màng tế bào. Kich thước của tất cả chúng đều ở mức từ 1-3 nm, tương ứng với các nút tiến trình tiên tiến nhất mà chúng ta sắp đạt được. Ảnh: Bionumbers.
Chúng ta đã biết Định luật Moore được đặt ra là điều hiển nhiên, nói đúng hơn, 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 kết chúng thành các định luật vật lý. Bây giờ khi nhìn từ góc độ sinh học, ta thấy các giới hạn sắp đến của Định luật này cũng là một điều tất yếu. Không có gì đáng hổ thẹn khi nó sắp sửa kết thúc. Bởi vì những phân tử cơ bản nhất cấu thành tế bào cũng chỉ quanh quẩn ở mức một vài nanomet, thậm chí một nguyên tử cũng chẳng có kích thước nhỏ hơn 1Å. Cho nên một bóng bán dẫn, kỳ quan công nghệ mà con người tạo ra bằng tay, có thể đạt đến cấp độ vài chục Ångstrom đã là một thành tựu, điểm cuối của các bóng bán dẫn chỉ có thể là hàng đơn vị của Ångstrom mà không nhỏ hơn.
Máy tính được coi như sự mô phỏng cho trí tuệ con người, và cả hình thể vật lý của con người, dưới dạng các rô-bốt. Thế nên những thành phần vi mô nhất của nó được thu nhỏ về cấp độ nguyên tử, giống như các nguyên tử trong tế bào của con người cũng là điều dễ hiểu. Vậy Định luật Moore sẽ không ‘chết’ nếu như chúng ta rào trước nó như sau:
“Cứ hai năm một lần, số lượng bóng bán dẫn (thành phần nhỏ nhất trong bộ xử lý) sẽ tăng lên gấp đôi, tới chừng nào mà nút tiến trình đạt được một hoặc một vài Ångstrom.”
Tổng hợp từ [1], [2], [3], [4].
